Download orgánica aplicada_2

Química orgánica funcional
Química orgánica – bases teóricas
La química orgánica es la química de los compuestos de carbono. Se ve normalmente como materia
aparte debido a la gran variedad de compuestos que puede formar este elemento. Se conocen varios
millones de compuestos orgánicos frente a unos pocos cientos de miles de compuestos inorgánicos.
Esta gran variedad de compuestos se debe a la gran capacidad del carbono para unirse a otros átomos
de carbono y otros no-metales por enlaces covalentes. Recordamos que pertenece al grupo cuatro y
su valencia será por lo tanto de 4. Siempre tendrá 4 enlaces.
Estos enlaces pueden ser simples, dobles y triples. Según el tipo de enlaces que forma el carbono
tiene diferentes geometrías.
Tipos de enlaces
4 enlaces simples
1 enlace doble, 2 1 enlace triple, 1 2 enlaces dobles
enlaces simple
enlace simple
Fórmula general
Forma geométrica
Tridimensional:
Centro
de
tetraedro
Planar: Centro de Lineal
un un
triángulo
equilateral
Lineal
Ángulos
Ejemplos
Alcanos
(metano,...)
Alquenos
…)
(eteno, Alquinos (acetileno, Allenos
…)
(propadieno, ...)
Los átomos enlazados por un enlace simple pueden rotar libremente mientras que los átomos
enlazados por un enlace doble
Las fórmulas orgánicas
Como en química orgánica se trata de sustancias covalentes es muy importante la conexión que hay
entre los átomos ya que para una misma fórmula molecular pueden existir miles de compuestos con
propiedades completamente diferentes que sólo se diferencian por la manera cómo están unidos los
átomos. Estas sustancias que tienen la misma composición pero diferente estructura se llaman
isómeros.
1
Como todas las sustancias orgánicas contienen carbono y prácticamente todas tienen además
cantidades grandes de hidrógeno a menudo se usan formas abreviadas de la estructura de Lewis para
dibujar la estructura de las sustancias orgánicas. En esta forma abreviada se siguen usando líneas para
simbolizar los pares de electrones de los enlaces pero se omiten los símbolos de los átomos de
carbono. Sólo se notan como “esquinas” en la estructura. Sabiendo además que cada carbono tiene
valencia 4 se omiten todos los hidrógenos y los enlaces hacia ellos. Por ello las siguientes estructuras
son equivalentes:
Todas ellas corresponden a la fórmula molecular C 6H14. La molécula es el hexano, un alcano que
veremos en los próximos capítulos.
Hidrocarburos
Los hidrocarburos son sustancias que se componen sólo de carbono e hidrógeno. Si el carbono tiene
sólo enlaces simples forma el centro de un tetraedro. Los cuatro enlaces apuntan en las direcciones de
las puntas del tetraedro. Los átomos o grupos enlazados por un enlace simple pueden rotar por el
enlace.
Illustration 1: El carbono (oscuro) rodeado en
forma tatraédrica. (wikipedia)
Ya que el carbono es capaz de formar no sólo enlaces simples sino también enlaces dobles y triples
con otros carbonos. Según el tipo de enlaces y la forma que tienen los compuestos diferenciamos
varias clases:
2
Alcanos
En los alcanos los carbonos están enlazados sólo por enlaces simples formando cadenas que pueden
ser bifurcadas. La fórmula general de los alcanos es CnH2n+2.
Algunos de los más importantes son:
Alcano
Fórmu Estructura
la
Características
Usos
Metano
CH4
Ebullición: -161,5 °C
Fusión: -182 °C
Explosivo: 4,4 – 16,5 % en aire
Presente en: Gas natural; biogas
- combustible
- materia prima en la industria química
Etano
C2H6
Ebullición: -89 °C
Fusión: - 183 °C
Explosivo: 2,7 – 15,5 % en aire
Presente en: Gas natural; biogas
Toxicología: narcótico
- combustible
- materia prima en la industria química
- refrigerante (R170)
Propano
C3H8
Ebullición: --42 °C
Fusión: - 188 °C
Explosivo: 1,9 – 9,3 % en aire
Presente en: Gas natural; petroleo
- combustible
- materia prima en la industria química
- refrigerante (R290)
- propulsor de aerosoles
Butano
C4H10
Ebullición: - 42 °C
Fusión: - 188 °C
Explosivo: 1,4 – 9,3 % en aire
Presente en: Petroleo
Toxicología: narcótico
- combustible
- aditivo de la gasolina en invierno
- materia prima en la industria química
- refrigerante (R600a = iso-butano)
- propulsor de aerosoles
Pentano
C5H12
Ebullición: 35 °C
Fusión: - 130 °C
Explosivo: 1,4 – 7,8 % en aire
Presente en: Petroleo
Toxicología: narcótico
- disolvente
- combustible (parte de la gasolina)
- refrigerante (R601)
- fabricación de espumas (poliestireno
expandido)
Hexano
C6H14
Ebullición: 68,8 °C
- disolvente
Fusión: - 95,4 °C
- materia prima en la industria química
Explosivo: 1,0 – 8,9 % en aire
- combustible
Presente en: Petroleo
Toxicología:
narcótico;
neurotóxico, adictivo
Hemos visto en la tabla los nombres de los alcanos hasta 6 átomos en una cadena. Con 7 átomos
tendríamos el heptano (C7H16), con 8 el octano (C8H18), con 9 el nonano (C 9H20), con 10 el decano
(C11,H22), con 11 el undecano (C11H24), con 12 el dodecano (C12H14) etc.
Según la masa molar y la forma de las moléculas existen alcanos gaseosos, líquidos y sólidos. Punto de
ebullición y punto de fusión aumentan con el peso molecular ya que las fuerzas intermoleculares son
del tipo van der Waals y estas aumentan con el número de electrones presentes. En el siguiente
diagrama vemos la variación de temperatura de ebullición y fusión de los alcanos de cadena sin
3
ramificar en función del número de átomos de carbono.
En general el punto de fusión de los alcanos con un número impar tienen los puntos de fusión más
bajo que los con un número par de átomos de carbono. Ello se debe a que las cadenas con número
par se pueden empaquetar más fácilmente que las cadenas con número impar de átomos.
Si las cadenas son bifurcadas puntos de ebullición y punto de ebullición cambian. Generalmente el
punto de fusión aumenta cuando la forma de la molécula es simétrica y se acerca a una forma esférica
mientras que el punto de ebullición disminuye. La bajada del punto de ebullición se debe a que el
contacto con las demás moléculas disminuye y con ello las fuerzas de van der Waals. El punto de
fusión aumenta por el empaquetamiento más fácil entre esferas y moléculas simétricas que entre
cadenas.
Debido a su carácter apolar los alcanos no son miscibles con el agua. Se conocen como hidrofóbicos o
lipofílicos. Los alcanos líquidos pueden ser usados para extraer compuestos orgánicos de fases
acuosas. Con los compuestos orgánicos adecuados incluso se pueden extraer metales. Por coste se
suelen usar fracciones sacadas de la destilación del petroleo con un punto de ebullición adecuado. El
“adecuado” punto de ebullición para estas aplicaciones suele ser lo bastante elevado como para no
formar mezclas explosivas con el aire a temperatura ambiente pero lo suficientemente bajo para
poder evaporarlo en caso de necesidad. Por ello se suelen usar mezclas parecidas al diesel o
queroseno.
Alquenos
Los alquenos son hidrocarburos con al menos un enlace doble entre dos carbonos. El alqueno más
simple es el eteno (H2C=CH2). Es producto de partida para la síntesis de muchos productos que usamos
en la vida cotidiana desde las bolsas de plástico (hechos de polietileno = (-CH 2-CH2-)n) hasta algunos
detergentes que contienen poliéteres (-O-CH 2-CH2-O-)n. El eteno antiguamente también se llamaba
“etileno”. El siguiente alqueno más complejo es el propeno o propileno (H 3C-CH=CH2). De ello se hace
por ejemplo el polipropileno – un plástico presente por ejemplo en depósitos industriales o en algunas
alfombras con fórmula general (-CH 2-CH(CH3)-)n. También se usa como producto de partida en la
4
industria química para la síntesis de iso-propanol, acetona etc.
Con estos ejemplos ya vemos que el nombre de los alquenos deriva del nombre de los alcanos con el
mismo número de átomos cambiando el sufijo “...ano” en “...eno”.
El doble enlace es mucho mas reactivo que los enlaces simples en los alcanos. Por ejemplo se puede
añadir hidrógeno en presencia de un catalizador formando alcanos:
R-CH=CH2 + H2 → R-CH2-CH3
Después de la adición el alcano ya no sigue reaccionando. Parece que el compueso se ha “saturado”
de hidrógeno. Por ello un doble enlace también se llama una insaturación y los alquenos “compuestos
insaturados” mientras que los alcanos se conocen como “compuestos saturados”.
Algunas de las reacciones típicas de los alquenos son:
- adición de halógenos (p.ej.: H2C=CH2 + Br2 → BrH2C-CH2Br)
- polimerización
- oxidación a dioles p.ej. con permanganato o tetraóxido de osmio (p.ej. 5 H 2C=CH2 + 2 MnO4- + 10 H+
→ 5 HOH2C-CH2OH + 2 Mn2+ + H2O; la descoloración de una disolución ácida de permanganato
(violeta) a Mn2+ (incoloro) es una prueba analítica para la determinación cualitativa de alquenos)
- adición de agua o alcoholes en presencia de un catalizador para formar alcoholes o éteres
respectivamente (p.ej.: H2C=CH2 + R-OH → H3C-CH2-O-R)
- formación de epóxidos (éteres cíclicos de 3 eslabones por oxidación en presencia de un catalizador
((p.ej.: H2C=CH2 + [O] →
). Los epóxidos a su ve son precursores de una gran variedad de
compuestos desde plásticos a detergentes.
Los alquenos más simples se suelen obtener por procesos de “cracking” a partir del petroleo y de sus
derivados. El “cracking” es un tratamiento térmico del petroleo. En este tratamiento térmico las
cadenas largas se fraccionan en cadenas mas cortas. Al menos uno de los fragmentos suele ser un
alqueno ya que no hay suficiente hidrógeno para que todos sean saturados. La reacción es en
principio la reacción inversa de la polimerización.
También se pueden conseguir calentando alcanos en presencia de un catalizador liberando hidrógeno.
Esta reacción sería la inversión de la reacción de hidrogenación.
Los alquenos también son accesible a partir de los alcoholes mediante reacciones de deshidratación.
Así el etileno en el laboratorio se puede obtener calentando etanol (un alcohol) en presencia de ácido
sulfúrico. Se trata de la inversión de la reacción de adición que fue descrita anteriormente.
Para alquenos más complejos se han desarrollado reacciones más específicas como la eliminación de
HX de haloalcanos con bases fuertes y otras.
Alquinos
En los alquinos hay al menos 2 átomos de carbono unidos por un enlace triple C-C. El alquino más
simple y más importante es el etino o acetileno H-C≡C-H. El siguiente sería el propino (H 3C-C≡CH).
5
Vemos que el nombre del alquino es el mismo que el del alcano con el mismo número de átomos pero
cambiando el sufijo ...ano a ...ino.
Mientras que la formación de los demás hidrocarburos a partir de los elementos suele ser exotérmica
la formación del acetileno es endotérmico. Ello significa que el acetileno puede descomponerse en
una reacción violenta en los elementos. Para evitarlo no se debe comprimir a altas presiones. En las
botellas de acetileno el acetileno gas se almacena en un disolución en acetona a presiones
relativamente bajas. De esta disolución el acetileno sale si abrimos la botella de manera parecida al
dióxido de carbono cuando abrimos una botella de agua con gas. Por ello las botellas de acetileno no
pueden usarse tumbadas.
También explica por qué el acetileno se emplea como comburente en soldaduras: al ser un compuesto
“endotérmico” libera en su combustión no sólo la energía que hubiesen liberado los elementos sino
además la energía que era necesaria para su formación.
2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O
El acetileno no se suele sintetizar a partir de los elementos sino se utilizan otras vías. La vía clásica es
pasando por el carburo de calcio (CaC 2). Este se obtiene a partir de carbonato de calcio y carbón en un
arco eléctrico a altas temperaturas:
2 CaCO3 + 3 C → 3 CO2 + CaC2
El acetileno se genera en la reacción del carburo con agua:
CaC2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + H-C≡C-H
Hoy en día se genera la mayor parte del acetileno a partir de gas natural. Este gas se quema a altas
temperaturas (alrededor de 1.400 °C) en mezcla con cantidades estequiométricas de oxígeno. La llama
se enfría rápidamente con aceite. Así se congela el equilibrio obteniendo los productos endotérmicos.
A temperaturas más bajas se conseguiría sobre todo hollín (una forma de carbono) e hidrógeno gas.
4 CH4 + 3 O2 → 2 C2H2 + 6 H2O
C2H2 ⇄ 2 C + H2
Los demás alquinos suelen tener menor importancia. A menudo se obtienen por síntesis especiales.
El triple enlace C≡C es aún más reactivo que el enlace doble. Muchas de las reacciones que se dan con
el enlace doble se dan también aún mas fácilmente con el enlace triple. Así se puede adicionar agua:
H-C≡C-H + H2O → [H2C=CH-OH] → H3C-CH=O
El primer producto formado, el alcohol vinílico, no es estable sino se reagrupa formando acetaldehido.
También se puede hidrogenar. Según el catalizador empleado se obtiene como producto final el
alqueno o al alcano correspondiente:
H-C≡C-H + 2 H2 → H2C=CH2 + H2 → H3C-CH3
6
Aromáticos
Los sistemas “aromáticos” deben su nombre al olor característico de sus representantes mas simples
frente a los alcanos que casi no tienen olor. Lo característico de todos los sistemas aromáticos es que
se trata de moléculas cíclicas con alteraciones de enlaces simples y dobles. Además se tiene que tratar
de sistemas planos. Esto permite que enlaces dobles y enlaces simples cambien su lugar sin cambiar la
estructura de la sustancia. Dos estructuras que pueden intercambiarse por simple desplazamiento de
enlaces se llaman “estructuras resonantes” o “estructuras mesoméricas”. La mesomería ayuda a
estabilizar un sistama. Cuantas más formas mesoméricas se pueden formular más estabilidad relativa
suele tener. Así los sistemas aromáticos con mesomería son mas estables de lo que sería una molécula
con tres enlaces dobles aisladas o en cadena abierta que no permite la mesomería. Para indicar dos
formas mesoméricas se suele indicar una flecha con doble punta. Para indicar que la “verdadera”
estructura es un intermedio entre las dos formas mesoméricas a menudo también se escribe el
sistema con un anillo en vez de los enlaces dobles.
El sistema aromático más conocido es el benceno (C6H6):
Illustration 2: diferentes manera de escribir la estructura del benceno.
Izquierda: formas mesoméricas; Derecha: indicación de la aromaticidad
Además
Los grupos funcionales
Los hidrocarburos halogenados
Los hidrocarburos halogenados presentan un enlace carbono – halógeno. Por su reactividad tenemos
que distinguir entre los hidrocarburos alifaticos halogenados y los hidrocarburos aromáticos
halogenados. Todos presentan enlaces C-X con X = F, Cl, Br, I. Como casi siempre el fluor ocupa un
lugar especial. El enlace C-F es especialmente fuerte debido al tamaño parecido de los dos elementos.
Por ello los compuestos con enlace C-F son muy poco reactivos.
Obtención
Hay diferentes manera de obtener los hidrocarburos halogenados. Para los derivados del metano se
suele usar la sustitución radicalaria. En esta reacción se hace reaccionar una mezcla del alcano con el
halógeno (cloro o bromo). Por irradiación o elevada temperatura se induce la ruptura de un enlace
halógeno-halógeno. Se forman así dos radicales (moléculas con electrones sin par). Estos radicales
reaccionan con el metano formando el compuesto HX (X = Cl o Br) correspondiente y un radical metilo
H3C. Este radical metilo puede atacar a su vez una molécula de halógeno X 2 formando el el haluro de
metilo H3CX además de un radical de halógeno. Con este se puede re-iniciar la cadena de sustitución.
Termina si se encuentran dos radicales que pueden combinarse.
La reacción no termina con una sustitución sino según las condiciones de reacción pueden sustituirse
todos los hidrógenos presentes.
7
En el caso del cloro y del metano se obtienen así:
- H3CCl = clorometano o cloruro de metilo
- H2CCl2 = diclorometano o cloruro de metileno
- HCCl3 = triclorometano o cloroformo
- CCl4 = tetraclorometano
La reacción de formación del clorometano sería:
Mientras que la reacción de los alcanos con los halógenos requiere una elevada energía de activación
la reacción de los alquenos con los halógenos es espontánea. Se produce una reacción de adición que
da dihalocompuestos. La reacción del bromo con el eteno por ejemplo da el 1,2-dibromoetano:
H2C=CH2 + Br2 → Br-CH2-CH2-Br
Los haloalcanos también se obtienen a partir de alcoholes y hidrácido por una reacción de sustitución
liberando agua:
R-OH + H-X → R-X + H2O
En los hidrocarburos aromáticos se pueden introducir los halógenos con una reacción catalizada por
ejemplo por hierro. El mecanismo es el de una “sustitución electrofílica”.
Propiedades
Los hidrocarburos halogenados son sustancias polares. Por ello son algo mas solubles en agua que los
hidrocarburos correspondientes. Sin embargo no tienen muy buena miscibilidad ya que ni pueden
8
aceptar ni dar puentes de hidrógeno y se suelen acumular en los tejidos grasos si llegan a la
naturaleza.
En la naturaleza los hidrocarburos halogenados no son muy abundantes en los sistemas biológicos. En
el ser humano practicamente el unico compuesto halogenado es la tirosina – una hormona fabricada
por los tiroides que tiene un enlace C-I. Por la escasez los metabolismos de los seres vivos no suelen
tener mecanismos específicos para degradar los hidrocarburos halogenados. Ello hace que tienen
generalmente mala biodegradabilidad. Muchos alcanos halogenados y algunos aromáticos tienen
potencial cancerígeno.
Los haloalcanos en general son menos inflamables que los hidrocarburos. El cloruro de metileno es
difícil de inflamar y el clorofomo no se inflama en absoluto. El efecto es aún mayor con
Usos
El cloroformo se usó como anestésico. Muchos alcanos halogenados líquidos son buenos disolventes.
Se empleaban por ejemplo en tintorerías de lavado en seco. Sin embargo el uso se restringe cada vez
mas debido a su posible toxicidad y problemas medioambientales.
El cloruro de vinilo (= cloroeteno; H 2C=CHCl) es el compuesto del cual se obtiene la PVC (cloruro de
polivinilo). Es un compuesto con efectos adictivos y cancerígenos.
Los compuestos halogenados también son importantes intermedios en reacciones de síntesis
orgánico.
El fluor a veces se introduce en las estructuras bioactivas para mejorar su comportamiento como
medicamento.
Uno de los fluoruros orgánicos más usados en la vida cotidiana es el teflón (PTFE =
politetrafluoretileno = -(F2C-CF2)n-) debido a su elevada resistencia al calor y su baja adhesión con
otros materiales.
Las funciones oxigenadas
Los alcoholes
Los alcoholes son compuestos que tienen un grupo -OH unido a un carbono con 4 enlaces simples. El
nombre del alcohol deriva del hidrocarburo correspondiente y lleva como distintivo el sufijo ...ol.
Por la posibilidad del grupo -OH de formar puentes de hidrógeno los alcoholes tienen mejor
miscibilidad con al agua que los alcanos. Los alcoholes más simples, el metanol y el etanol También su
punto de fusión y de ebullición son mayores.
Obtención
Existen diversos procesos de obtención de alcoholes. Antiguamente el metanol se obtenía casi
exclusivamente por destilación de la madera. En este proceso también se obtiene carbón vegetal
como residuo además de alquitran y otros productos orgánicos. Hoy en día se puede formar a partir
de una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno en presencia de un catalizador:
9
El método clásico de obtención de etanol es la fermentación de azúcar (sacarosa = C 12H22O11) a etanol
y dióxido de carbono por encimas de la levadura:
C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH
Una variante de este proceso se utiliza también para obtener el pentanol:
Hoy en día los procesos industriales se basan normalmente en subproductos del petroleo o del gas
natural:
oxidación catalítica de alcanos:
ejemplo metanol:
2 CH4 + O2 → 2 H3COH
adición de agua a alquenos:
ejemplo etanol:
H2C=CH2 + H2O → H3C-CH2OH
Oxidación catalítica de los alquenos a polioles:
ejemplo glicol:
H2C=CH2 + H2O2 → HOH2C-CH2OH
Reducción de ésteres de ácidos grasos:
R-CO2-R' + 4 [H]→ R-CH2-O-H + H-O-R'
Propiedades
Por su grupo OH los alcoholes pueden dar y aceptar puentes de hidrógeno. Por ello los alcoholes con
restos orgánicos pequeños (metanol, etanol) son miscibles con el agua. A partir del propanol la
miscibilidad es sólo parcial.
Usos
Según el tipo de alcohol el uso es muy variable. En los últimos años se emplean cantidades crecientes
como combustible. En Brasil por ejemplo se añade una cierta cantidad de bio-etanol a la gasolina.
El metanol se utiliza en la obtención de biodiesel a partir de grasa. También hay proyectos de
investigación para usar el metanol en celdas electroquímicas e usarlo directamente en la obtención de
energía eléctrica.
Los aldehidos
Si oxidamos un alcohol que tiene el grupo OH unido a un carbono primario en condiciones suaves el
alcohol se convierte en aldehido:
R-CH2OH + [O] → H2O + R-CH(=O)
Regla: En una oxidación en química orgánica normalmente se produce una ganancia de oxígeno o una
pérdida de hidrógeno por parte de la sustancia oxidada.
Obtención
Los aldehidos pueden obtenerse por oxidación de los alcoholes primarios correspondientes con un
10
oxidante suave. En el laboratorio el metanal o formaldehido H 2C=O por ejemplo se puede sintetizar a
partir de metanol y óxido de cobre(II):
H3C-OH + CuO → H2O + Cu + H2C=O
Propiedades
Los aldehidos son compuestos volátiles ya que entre ellos no pueden formar puentes de hidrógeno.
Pueden ser oxidados para obtener ácidos carboxílicos o pueden ser reducidos a alcoholes.
La posición del grupo carbonilo al final de la molécula hace que esta sea muy polar y pueda aceptar
puentes de hidrógeno. Por ello los aldehidos con grupos orgánicos pequeños son miscibles con el
agua.
Usos
Uno de los aldehidos mas usados es el formaldehido o metanal (H 2C=O). Es producto de partida de
muchos plásticos, entre ellos la melamina y la bakelita.
Los aldehidos además son productos de partida de otras clases de sustancias como iminas, oximas etc.
Las aldosas son un tipo de azúcares que presentan un grupo aldehido.
Las cetonas
Si se oxida un alcohol secundario en vez de un alcohol primario se obtiene una cetona:
R2CHOH + [O] → H2O + R-C(=O)-R
En contra de lo que pasa con los aldehidos en las cetonas ya no hay ningún hidrógeno unido al
carbono del grupo carbonilo (C=O). Por ello las cetonas son más estables frente a la oxidación que los
aldehidos.
Obtención
Las cetonas se pueden obtener por oxidación de los alcoholes secundarios. También son productos de
la temólisis de sales de ácidos carboxílicos. Para algunas cetonas como la acetona se han desarrollado
procesos especiales debido a su importancia industrial.
Las cetonas con un grupo aromático pueden obtenerse a partir de hidrocarburo aromático y un
derivado de un ácido carbónico en presencia de un ácido de Lewis:
11
Propiedades
El grupo C=O es un grupo polar con capacidad de aceptar puentes de hidrógeno. Por ello las cetonas
simples como la acetona son miscibles con el agua. Su punto de ebullición sin embargo es mas bajo
que el de los alcoholes correspondientes ya que entre las moléculas de las cetonas no hay posibilidad
de formación de puentes de hidrógeno.
Las cetonas son mucho mas resistentes a la oxidación que los aldehidos. Sólo se pueden oxidar en
condiciones muy drásticas rompiendo enlaces C-C. Sin embargo las cetonas pueden ser reducidas a los
alcoholes o hidrocarburos correspondientes.
Usos
La acetona es la cetona mas común y se utiliza tanto como disolvente como producto de partida para
la síntesis de diversos productos orgánicos. Lo mismo pasa con otras cetonas simples como la metiletil-cetona (MEK = H3C-C(=O)-CH2-CH3).
Como se trata de un grupo de sustancias muy amplio encontramos en ello encontramos diversos
compuestos desde fármacos (p.ej. Ketoprofeno), compuestos biológicos como algunos azúcares o
intermedios en síntesis de compuestos orgánicos como la ciclohexanona.
Illustration 3: Ketoprofeno
Illustration 4: ciclohexanona
Los ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos contienen el grupo -CO 2H – también llamado grupo carboxílico. El grupo
carboxílico -CO2H siempre se encuentra al final de una cadena o ramificación o como grupo funcional
en un sistema aromático. Se trata de compuestos ampliamente presentes en la naturaleza. Forman
parte de todos los seres vivos en aminoácidos, ácido cítrico del ciclo de Krebs etc. Muchos ácidos
carbónicos tienen “nombres triviales” que hacen referencia a su presencia en la naturaleza. El ácido
metanóico (H-CO2H) se llama también ácido fórmico porque antiguamente se obtenía a partir de las
hormidas. El ácido etanóico (H3C-CO2H) es mas conocido como ácido acético por el nombre del vinagre
en latín del cual se aislaba.
Formalmente podemos ver los ácidos carboxílicos como productos de oxidación de los aldehidos:
R-CH(=O) + [O] → R-C(=O)-O-H
Los ácidos carboxílicos son ácidos débiles. Pierden el hidrógeno unido a oxígeno en entornos básicos.
Obtención
Los ácidos carboxílicos se pueden obtener por oxidación de alcoholes primarios o aldehidos. El ácido
acético por ejemplo se forma a partir del etanol si dejamos el vino entrar en contacto con el aire. El
ácido acético es el responsable del sabor ácido del vinagre.
12
También se obtienen por la reacción de alquenos con ozono rompiendo el doble enlace C=C. En
condiciones muy drásticas se pueden oxidar también los grupos metilo para transformarlos en
carboxilatos.
Otro método es la obtención por hidrólisis de los ésteres. Esta reacción también se conoce como
“saponificación”. Ella y su reacción inversa – la esterificación se verán mas detalladamente en el
capítulo de los ésteres.
Con medios fuertemente higroscópicos como el pentóxido de fósforo P2O5 se forman anhídiridos:
6 H3CCOOH + P2O5 → 2 H3PO4 + 3 H3C-C(=O)-O-C(=O)-CH3
Propiedades
Los ácidos carboxílicos son ácidos débiles. Pierden el hidrógeno unido a oxígeno en entornos básicos.
Los ácidos carboxílicos pequeños como el ácido metanóico o el ácido acético son miscibles con el
agua. Con restos mas grandes se vuelven rápidamente inmiscibles.
En líquido o en fase gaseosa los ácidos carboxílicos suelen formar dímeros de dos moléculas unidas
por puentes de hidrógeno:
Las sales de los ácidos carboxílicos a menudo son inestables frente al calor. Se descomponen
formando cabonato y cetona. Un ejemplo es la antigua síntesis de la acetona a partir del acetato de
calcio:
Ca(O2CCH3)2 → CaCO3 + H3C-C(=O)-CH3
Usos
Los ácidos carbónicos forman una clase de sustancias muy numerosa que tiene un espectro de usos
igual de amplio. Algunos ejemplos del uso directo de ácido carboxílicos son ácido cítrico o ácido
acético (H3CCO2H) como condimentos de la comida, ácido acetilsalicílico como medicamento, ácido
ftálico como producto de partida en la síntesis de plásticos etc.
Illustration 5: ácido cítrico
Illustration 6:
acetilsalicílico
ácido
Illustration
ácido ftálico
7:
También se utilizan las sales de los ácidos. Así el jabón es una mezcla de sales de sodio de diversos
ácidos grasos (ácidos carboxílicos con restos de cadena muy larga), el estearato de aluminio es uno de
los componentes del napalm o el propionato de sodio (NaO 2CCH2CH3) como conservante en la
industria alimenticia.
13
Los ésteres
Los ésteres se producen por reacción entre un alcohol y un ácido, normalmente un ácido carboxílico.
En esta reacción se obtiene el éster y además una molécula de agua. El proceso es reversible. Se trata
de un equilibrio:
R-O-H + H-O-C(=O)-R' ⇄ R-O-C(=O)-R' + H2O
La reacción de la formación del ester también se llama “esterificación”. Es catalizada por ácidos. La
reacción de vuelta es un tipo de hidrólisis también conocido como “saponificación”. Se produce sobre
todo en medio básico. La base desplaza el equilibrio hacia los productos de la hidrólisis ya que forma
una sal con el ácido y lo elimina de esta manera.
Obtención
Los ésteres están presentes en muchos compuestos naturales. El más importante es la grasa. La grasa
es un éster entre glicerina y tres ácidos carboxílicos de cadena larga.
Técnicamente se pueden obtener por diversas reacciones siendo una de las mas importantes la
reacción entre un alcohol y un ácido en presencia de un ácido fuerte y/o una sustancia higroscópica.
En vez del ácido también se pueden usar derivados de los ésteres del tipo “R-(=O)-X” con X = Cl, Br, OC(=O)-R. Estos derivados normalmente son mas reactivos que el propio ácido.
Propiedades
Los ésteres son compuestos polares pero no pueden dar puentes de hidrógeno. Su capacidad como
aceptores de puentes de hidrógeno suele ser reducida por los grupos orgánicos que presentan. Por
ello no suelen ser miscibles con el agua. Sin embargo son miscibles con muchos líquidos orgánicos. Su
punto de ebullición es relativamente bajo.
Usos
El uso del éster depende del alcohol y del ácido carbónico que han reaccionado. El acetato de etilo por
ejemplo se utiliza ampliamente como disolvente. Es responsable del olor característico de algunos
pegamentos. Algunos esteres de tamaño medio tienen olores y sabores muy característicos. Se
encuentran como aromas en muchas frutas. Como productos sintéticos se utilizan como saborizantes.
También hay muchos ésteres que se usan como fármacos. Uno de los mas conocidos es la “aspirina”
(ácido acetilsalicílico), un ester entre el ácido salicílico que con su grupo hidroxilo funciona como
alcohol y el ácido acético.
En la naturaleza destacan como ésteres las grasas. Se trata de compuestos formados por glicerina y
tres ácidos carboxílicos. Su fórmula general es:
14
En las grasas saturadas tenemos presentes ácidos carboxílicos con largas cadenas sin dobles enlaces.
Las grasas insaturadas sin embargo están formadas por glicerina y ácidos grasos con dobles enlaces.
En las grasas naturales los dobles enlaces siempre tienen forma “cis”.
Muy ligado a las grasas son los lípidos. En ellas tenemos casi la misma estructura aunque la glicerina
sólo ha formado ésteres con 2 de los tres grupos OH. EN el último grupo se encuentra unido un grupo
polar. Con esta estructura los lípidos forman las membranas de las células.
Los éteres
En los éteres dos grupos orgánicos están unidos por un átomo de oxígeno. Su fórmula general es por
lo tanto R-O-R´. Los dos grupos orgánicos pueden ser idénticos en cuyo caso tenemos un éter
simétrico o diferentes. En los átomos de carbono que están unidos a este oxígeno no debe haber
ningún otro átomo ni de oxígeno ni de nitrógeno ya que entonces tenemos otra clase de sustancias.
Un caso especial son los éteres cíclicos de 3 eslabones, los epóxidos. Son altamente reactivos debido a
la alta tensión en el anillo.
Obtención
Formalmente los éteres están formados por un alcohol dónde el hidrógeno del grupo OH es sustituido
por un grupo orgánico.
Propiedades
Los éteres pueden acetar puentes de hidrógeno pero no son donores de puentes de hidrógeno. Los
grupos orgánicos a menudo dificultan el acercamiento del agua al oxígeno. Por ello la solubilidad de
los éteres en agua suele ser escasa.
Los éteres suelen evaporarse fácilmente. Sus vapores son más densos que el aire y se acumulan
preferentemente en las partes bajas de las salas. Si hay fuentes de ignición cerca causan explosiones e
incendios.
En presencia de luz y oxígeno muchos éteres forman hidroperóxidos con gurops H-O-O-... Estos son
altamente explosivos y han causado ya una gran cantidad de accidentes laborales. Por ello en el
trabajo con éteres, especialmente si estos se destilan, siempre hay que comprobar que están libres de
peróxidos.
15
Usos
Los éteres se utilizan como disolventes, aromatizantes, narcotizantes, detergentes, aditivos de la
gasolina etc. Los éteres cíclicos de 3 eslabones se conocen como “epóxidos” y son productos
intermedios importantes de la industria química.
Los grupos nitrogenados
Las aminas
Las aminas son derivados del amoniaco. En ellas al menos un hidrógeno ha sido sustituido por un
grupo de carbono. Podemos distinguir entre aminas primarias con un grupo R-NH 2 (R = cualquier
grupo orgánico que no sea H), aminas secundarias R 2NH y aminas terciarias R 3N. Con 4 restos
orgánicos se obtienen los amonios cuarternarios R4N+.
Obtención
Las aminas pueden obtenerse por reacción de alcanos halogenados con el amoniaco o sus derivados
en una reacción de sustitución:
R-CH2-X + NH3 → R-CH2-NH2 + HX
Propiedades
Las aminas con restos orgánicos pequeños suelen ser solubles en agua ya que pueden aceptar puentes
de hidrógeno. El nitrógeno en las aminas está en el centro de un tetraedro algo distorsionado formado
por los tres restos orgánicos o hidrógenos respectivamente y en la última punta el par de electrones
libre. En agua forman disoluciones básicas.
Una amina con un resto aromático es la anilina (C 6H5NH2). La presencia del grupo fenil baja la
basicidad de la amina.
Usos
Muchas aminas son sustancias de partida en la industria química. Especialmente la anilina y sus
derivados son compuestos de partida importantes en la síntesis de colorantes y de medicamentos.
También se usan aminas en la obtención de plásticos como algunas poliamidas o poliuretanos.
En la naturaleza el grupo amino está presente en muchos compuestos desde las bases que forman
nuestro ADN, los aminoácidos que forman las proteínas y los alcaloídes como la cafeína, cocaína,
estriqunina etc.
Las iminas
Obtención
Las iminas se obtienen por reacción de un carbonilo (aldehido o cetona) con una amina primaria. En el
proceso se libera además agua:
16
La reacción es catalizada por protones.
Propiedades
El nitrógeno de las iminas puede aceptar puentes de hidrógeno. Por ello las iminas con grupos
orgánicos pequeños suelen ser solubles en agua.
Las iminas pueden hidrolizarse en una reacción inversa a su formación. Esta reacción se favorece en
condiciones ácidas ya que el ácido forma una sal con la amina y esta sal elimina amina del equilibrio.
El par libre de electrones de la imina apunta en el mismo plano que los enlaces hacia fuera. En
química inorgánica esto se utiliza empleando las iminas en “compuestos de coordinación”.
Usos
Algunas iminas forman compuestos con metales que son solubles en disolventes orgánicos. Ello
permite extraer estos metales de disoluciones acuosas. Para el cobre por ejemplo se utilizan iminas
derivadas del aldehido salicílico o de la 2-hidroxi-acetofenona. Variando el grupo R se pueden cambiar
la estabilidad del compuesto obtenido y adaptarlo al proceso de extracción empleado.
Illustration 9: imina del
aldehido salicílico
Illustration 8: complejo formado entre
el cobre y la imina del aldehido
salicílico
Las iminas están además presentes en muchos catalizadores, medicamentos y sustancias biológicas.
Las oximas
Las oximas son “parientes” de las iminas. En ellas el nitrógeno está unido por una parte con un enlace
doble a un carbono y con el enlace restante se une a un grupo OH. Por ello son derivados de la
hidroxilamina (H2N-OH)
Obtención
Las oximas se obtienen en analogía a las iminas por reacción de un grupo carbonilo con hidroxilamina:
Propiedades
Debido al grupo =N-OH que es tanto donor como aceptor de puentes de hidrógeno las oximas con
restos orgánicos pequeños son solubles en el agua. La solubilidad disminuye cuanto mas grandes y
17
apolares son los restos orgánicos.
En presencia de agua las oximas pueden hidrolizar lentamente. La hidrólisis es la inversión de la
reacción de su formación. Es más rápida en presencia de ácido.
Usos
Las oximas forman compuestos con algunos metales que son solubles en disolventes orgánicos. Ello
permite extraer estos metales selectivamente de una disolución. También se utilizan en química
analítica para determinar iones de metales. La oxima más conocida es la dimetilglioxima (=diglyme)
que forma un compuesto rojo insoluble en agua con el niquel(II):
Illustration 10: Reacción de iones de niquel(II) con dimetilglioxima
Las amidas
Las amidas son compuestos derivados de un ácido carbónico y una amina primaria, secundaria o
amoniaco. Tienen como grupo funcional la formación R-C(=O)-NR 2. En el grupo amida tanto el
carbonilo como el nitrógeno con sus sustituyentes son planares y se encuentran en el mismo plano.
El grupo amida puede hidrolizarse en presencia de agua y ácido como catalizador.
Obtención
Las amidas se pueden obtener a partir de un ácido o sus derivados y una amina liberando agua:
Uso
Las amidas están presentes en muchos plásticos (poliamidas, p.ej. Nylon) y en las proteínas.
Los nitrilos
En el grupo nitrilo un carbono está unido por un triple enlace a un nitrógeno (-CN). Se puede ver como
un derivado de los ácidos carbónicos ya que el carbono tiene el mismo número de oxidación que en
18
los ácidos. Los nitrilos son poco frecuentes en la naturaleza pero se trata de intermedios habituales en
química orgánica.
El grupo nitro
En el grupo nitro un nitrógeno es unido a un carbono y dos átomos de nitrógeno (-NO 2). Contiene un
nitrógeno pentavalente unido a un carbono y dos oxígenos. Son isómeros de los nitritos orgánicos.
Estos tienen el grupo R-O-N=O y por lo tanto presentan un nitrógeno trivalente sin enlace directo N-C.
Obtención
En los hidrocarburos aromáticos el grupo nitro se introduce fácilmente por reacción con una mezcla
de ácido nítrico y ácido sulfúrico. Esta mezcla se conoce también como “ácido de nitración”.
Ilustración 11: Reacción de nitración del benceno. El ácido sulfúrico cataliza la
reacción y atrapa el agua formado.
Los grupos nitro sobre restos alifáticos (grupos alcanos) se pueden generar por sustitución de un
halógeno por nitrito aunque normalmente se forman mezclas entre compuestos nitro y el nitrito
orgánico correspondiente.
Usos
Los grupos nitro están presentes en muchos explosivos pero también en colorantes, medicamentos y
sustancias intermedias de síntesis orgánicos. A veces algunos compuestos que no tiene grupos nitro
tradicionalmente sin embargo se llaman como tales. Un ejemplo es la “nitroglicerina” que no tiene
grupos nitro propiamente dicho sino grupos nitrato R-O-NO 2 y es por lo tanto un triester de glicerina y
ácido nítrico. El nombre correcto debería ser por lo tanto trinitrato de glicerina.
Con reductores se puede transformar fácilmente en grupos amino. Así se obtiene por ejemplo la
anilina por reducción del nitrobenceno con hierro y ácido clorhídrico:
19
El Petroleo
El petroleo es una mezcla compleja de sustancias orgánicas, principalmente de hidrocarburos. Según
las teorías más aceptadas se formó a partir de materia orgánica depositada en el fondo de los océanos
en ausencia de oxígeno y a altas presiones y temperaturas. En estas condiciones la materia biológica
perdió una gran parte de sus grupos funcionales, especialmente las oxigenados, quedando una mezcla
de hidrocarburos.
La composición de esta mezcla varía según el yacimiento. En algunos se tarta casi exclusivamente de
una mezcla de alcanos, en otros de hidrocarburos aromáticos aunque lo normal es una mezcla de
diferentes tipos de hidrocarburos, principalmente saturados.
El petroleo hoy en día es la base de casi toda la química orgánica. Por ello hablamos también de
“petroquímica”. Ello se debe por una parte a que podemos obtener una amplia gama de productos
directamente de la destilación del petroleo. También se han desarrollado diferentes reacciones que
ayudan a convertir las moléculas encontradas en el petroleo en otras moléculas. Una de las reacciones
más importantes de este tipo es el “cracking”.
En el cracking se somete el petroleo a altas temperaturas en presencia de un catalizador. En estas
condiciones las largas cadenas de los alcanos se rompen formando alquenos de cadena más corta. Por
el catalizador uno de los productos principales es el eteno o etileno. También se obtiene propeno y
otras moléculas de cadena corta. Estas a su vez son precursores de una amplia gama de productos.
La fracción menos volátil es el alquitrán que se utiliza en construcción de carreteras.
Un problema a la hora de usar el petroleo como materia prima para obtener combustibles es la
presencia de azufre orgánico. Este forma a la hora de su combustión dióxido de azufre que provoca
daños por corrosión en las instalaciones. Además se tarta de un contaminante responsable de la
formación de la lluvia ácida. Por ello es necesario eliminar los compuestos azufrados antes de su uso.
Unos de los compuestos azufrados más conflictivos son los tiofenos ya que se comportan de manera
muy parecida a los hidrocarburos aromáticos. Una manera de eliminarlos es tratando la mezcla con
ácido sulfúrico concentrado. En estas condiciones los tiofenos reaccionan convirtiéndose en productos
solubles en agua que así pueden ser eliminados:
20
El carbón
El carón es una mezcla de compuestos orgánicos formado a partir de plantas cuyo materia orgánica ha
sufrido cambios tras haber sufrido altas presiones y altas temperaturas en condiciones anaeróbicas.
Según el grado de degradación se distinguen principalmente los diferentes tipos de carbón:
Tipo de carbón
% compuenstos % C
volátiles
%H
%O
Valor calórico
lignita
43 – 60 %
65 – 75 %
8,0 – 5,5 %
12 – 30 %
25 – 28 MJ/kg
sub- 40 – 45 %
75 – 81 %
6,6 – 5,8 %
> 9,8 %
> 32 MJ/Kg
Carbono
bituminoso
Carbono bituminoso
14 – 40 %
81 – 90,5 %
5,8 – 4,0
9,8 – 2,8 %
33 – 35,6 MJ/kg
antracita
< 14 %
> 90,5 %
< 4,0 %
< 2,8 %
35,0 – 35,5 MJ/kg
Aparte de los tipos indicados en la tabla se pueden diferenciar más sub-categorías. Los valores de
porcentajes son indicativos pero indican muy bien el proceso de la pirólisis que pasa desde la lignita
como variante menos afectada hasta la antracita que casi sólo es carbono elemental.
Como el carbono se ha formado a partir de materia orgánica con una amplia gama de compuestos
orgánicos en el carbono también se encuentra todavía una gran variedad de grupos funcionales.
Debido a las alteraciones sufridas suelen permanecer a macromoléculas. En la siguiente imagen
vemos un modelo del carbono que intenta incorporar una gama de estos grupos funcionales. Ello no
quiere decir que el carbono tiene esta estructura. Sólo indica que en la mezcla de sustancias que
conforma el carbono podemos encontrar los grupos que se representan en la molécula dibujada.
A altas temperaturas el carbón se vuelve deformable. Además libera sustancias volátiles. Esto es
indeseado en algunas aplicaciones, especialmente en la obtención de hierro en los altos hornos. Por
ello se suele usar el carbón procesado en forma de coque. El coque es un producto formado
21
directamente a partir del carbono aplicando altas temperaturas. Se destilan productos volátiles que
contienen hidrocarburos, metanol, amoniaco etc. y pueden ser procesados además de alquitranes. En
estos destilados se identificó por primera vez la anilina. También se forma un gas que contiene
monóxido de carbono y puede ser usado para calefacción, cocina etc. Antiguamente en algunas
ciudades se suministraba por cañería como “gas ciudad”. Por su bajo poder calórico y la alta toxicidad
ha sido sustituido por gas natural (metano).
El coque como otro subproducto resultante consiste casi exclusivamente de carbono y posee mejor
resistencia mecánica que el carbón inicial. Sin embargo no todos los carbonos son aptos para producir
coque ya que ello depende de la cantidad y naturaleza de los grupos funcionales presentes.
Los combustibles
Los combustibles no son una clase de compuestos químicos bien definidos sino según la aplicación se
puede tratar de una amplia gama de compuestos. Los combustibles gaseosos suelen ser hidrocarburos
procedentes o del gas natural o derivados del petroleo. Se trata de compuestos de bajo peso
molecular con hasta átomos de carbono. Antiguamente se usaba también monóxido de carbono
procedente de la combustión parcial del carbono. Por su menor valor energético, la alta toxicidad y la
mayor disponibilidad de los hidrocarburos gaseosos su uso hoy en día es prácticamente nulo.
Los combustibles líquidos suelen ser hidrocarburos derivados del petroleo. Estos derivados pueden ser
simples fracciones de destilación con un cierto rango de ebullición o se puede tratar de mezclas
procesadas para mejorar sus características en la combustión. En algunos casos como en los
combustibles usados para motores de gasolina se pueden añadir compuestos para mejorar su
comportamiento en las reacciones de combustión.
Los combustibles sólidos suelen ser de origen vegetal o carbón y sus procesados. En la obtención del
acero es especialmente importante el coque. Se obtiene del carbón en un proceso de pirólisis
(descomposición a alta temperatura) que elimina todos los compuestos volátiles que pueden ser
condensados y procesados para obtener productos de partida para la industria química. El resto es
carbono casi puro con mayor estabilidad mecánica. Esta estabilidad es importante en su suo en lso
altos hornos para permitir el pase de los gases de combustión.
Número de octano
El octanaje es un número que caracteriza los combustibles tipo gasolina. Como en los motores se
comprime una mezcla de vapor de gasolina y de aire calentándose en el proceso la mezcla a veces
tiende a explotar de manera incontrolada. Estas explosiones incontroladas se conocen como
“martilleo”. La tendencia a producir el martilleo depende de la naturaleza del combustible. Son
especialmente propensos los hidrocarburos de cadena larga mientras que las cadenas ramificadas
resisten mejor. Por ello se definió un sistema binario formado por n-heptano (una cadena de 7
carbonos sin ramificación) de muy malas características como combustible e iso-octano (=2,2,4trimetilpentano (H3C)3C-CH2-CH(CH3)2), un compuesto altamente ramificado con características muy
buenas en el motor.
La definición del número de octanos es: (wikipedia)
Un carburante tiene un número de octano igual a X si, en el motor C.F.R. provoca un martilleo
equivalente al observado para una mezcla de X partes, en volumen de iso-octano (N.O. = 100) y (100 X) partes de n-heptano (N.O. = 0)
22
En las gasolinas en octanaje se suele indicar como R.O.N (= Research Octane Number)
Para aumentar el número de octano en las refinerías se han desarrollado procesos que favorecen la
formación de cadenas ramificadas o sistemas aromáticos frente a la fabricación de cadenas largas.
Estos procesos se conocen como “reforming”. La presencia de hidrocarburos aromáticos como el
benceno y el tolueno también mejoran el comportamiento en el motor.
Lo común de todos estos compuestos es que por una parte no rompen fácilmente sus enlaces a altas
temperaturas y si se rompen los radicales libres (compuestos con electrones impar) formados son
relativamente estables. Un compuesto que permite atrapar los radicales libres a altas temperaturas es
el tetraetilplomo. Por ello este compuesto se añadía desde aproximadamente los años 50 hasta los
años 90 del siglo 20 a las gasolinas. Con esta medida se podía aumentar el número de octanos aún con
mezclas de cadena larga que son a menudo más baratas en su producción. Luego se prohibió su uso
por los daños medioambientales y los problemas de salud asociados al plomo como metal pesado.
Como la presencia de los hidrocarburos aromáticos también es problemática por su posible efecto
cancerígeno hoy en día se suelen usar aditivos basados en éteres de tert-butanol (= 2-metil-2propanol (H3C)3C-O-H)
Las sustancias tensoactivas
Las sustancias tensoactivas o detergentes suelen componerse de moléculas que tienen una parte
hidrofílica (grupos polares con posibilidad de formar o al menos aceptar puentes de hidrógeno) y otra
parte hidrofóbica (parte apolar con grupos de alcanos).
Los compuestos tensoactivos bajan la tensión superficial del agua. Así ayudan a mojar superficies
hidrófugas y a emulgar grasas y otros compuestos lipofílicos. Moléculas con estas propiedades tienen
una parte hidrofílica y otra hidrofóbica. Así en agua forman agregados, las micelas, donde las partes
hidrofóbias se unen mientras que las partes hidrofílicas apuntan a la fase acuosa.
La clase de tensoactivos más antigua son los jabones. Se trata de las sales alcalinas de los ácidos
grasos con cadena larga. Normalmente se obtienen por saponificación de las grasas. Presentan una
buena biodegradabilidad. Como inconvenientes tienen que sólo trabajan a un pH básico y en aguas
duras forman sales de calcio y de magnesio poco solubles.
23
Por estos inconvenientes se sustituyen más y más por otros tipos de tensoactivos. Los podemos dividir
en tres grupos: Tensoactivos aniónicos, no-iónicos y catiónicos. Cada grupo tienen algunas
particularidades que vemos a continuación.
El grupo de los detergentes aniónicos es el grupo de tensoactivos sintéticos más antiguo. Contiene
aparte de los jabones sobre todo sulfonatos y monoésteres del ácido sulfónico. Estos no forman sales
insolubles con los iones de los elementos terrealcalinos. Así que pueden usarse también en aguas
duras sin necesidad de añadir medios auxiliares como complejantes. Además se trata de sales de
ácidos más fuertes. Aí que su pH es más bajo. Ello ayuda a mantener el manto ácido de la piel y ataca
menos a superficies y colorantes delicados. Los sulfonatos son sobre todo p-alquil-aril-sulfonatos que
se obtienen fácilmente a partir de benceno, alqueno y ácido sulfúrico. Los primeros sulfonatos tenían
mala biodegradabilidad. Ello llevaba a la formación de montañas de espuma en depuradoras y ríos.
Algo más modernos son los lauril y más nuevos aún los lauretilsulfatos. Se encuentran en muchos
productos de limpieza personal. Se generan a partir de un alcohol que se obtiene de aceites vegetales
y ácido sulfúrico. En el caso del lauretilsulfonato además hace falta óxido de etileno, un éter cíclico de
3 eslabones.
laurilsulfato de sodio (=dodecilsulfato de sodio/SDS) arriba
y lauretilsulfonato de sodio abajo
Los tensoactivos no-ionicos suelene presenter grupos etoxi (-CH 2CH2O-). Se generan a partir de óxido
de etileno. Además tienen un grupo hidrofóbico (a menudo un alcohol o el resto de un ácido graso).
Algunos se sintetizan a partir de azúcares. Normalmente presentan buena biodegradabilidad. No
precipitan con metales y no alteran el pH del agua. Por ello se encuentran en las formulaciones de
muchos detergentes “modernos”.
Los tensoactivos catiónicos finalmente suelen tener grupos de amonio cuarternario. Muchos poseen
propiedades antibacterianas. Por ello se utilizan en detergentes desinfectantes. En estudios recientes
sin embargo se han dado indicios que podrían inducir resistencia hasta a los antibióticos más usados.
Así que su uso se debe realizar con cuidado y sólo si es verdaderamente necesario.
24
Unos tensoactivos muy especiales son las sustancias usadas en flotación. En lugar de una parte
hidrofílica propiamente dicha poseen una parte de la molécula con alta afinidad a los iones de los
metales pesados que se quieren separar. Normalmente se trata de grupos azufrados. Con este grupo
se unen a los iones de los metales presentes en la superficie del mineral y lo vuelven hidrofóbico. Así
los granos son arrastrados por aire insuflado a la superficie y pueden ser separados en forma de
espuma mientras que el mineral sin metal se queda en forma hidrofílica y sedimenta al fondo. Como
en relación al volumen en la superficie de los granos hay muy pocos átomos basta con poco aditivo
para separar cantidades grandes de mineral. A menudo se usan para este fin ditiocarbamatos.
Las sustancias tensoactivas suelen ser dañinas para la vida marina y especialmente para los peces.
Atacan las mucosidades externas y las hacen más vulnerables para ataques de parásitos y
enfermedades.
Los explosivos
Aunque los explosivos más usados -principalmente por una cuestión de precios- son de origen
inorgánico (Anfo – mezcla de nitrato de amonio con diesel) los explosivos mas potentes son orgánicos.
Quizás el más conocido es la dinamita. Se basa en el trinitrato de glicerina o mal llamado
“nitroglicerina” absorbido por tierra de diatomeas. La absorción baja la elevada sensibilidad de efectos
mecánicos que tiene la nitroglicerina pura. También se puede absorber en nitrocelulosa añadiendo
además aserrín y nitrato de potasio para obtener la gelignita. Un añadido de 4 % p/p de alcanfor baja
aún más su sensibilidad a golpes y altas temperaturas. Este explosivo se ha usado en la excavación de
túneles en roca muy dura por ejemplo en la excavación del túnel de St. Gothardo (Suiza). Se sigue
usando para voladuras bajo agua.
Parecido a la nitroglicerina es “Nitropenta” o tetranitrato del pentaeritrol aunque se trata de un sólido
que es mucho menos sensible a golpes. Su uso es limitado por su elevado coste. Sin embargo se
emplear en la fabricación de cordones explosivos.
25
Illustration 13: Nitropenta - otro tetranitrato
orgánico
Illustration 12: "nitroglicerina" = trinitrato
de glicerina
Otro explosivo muy conocido es la “TNT” - el trinitrotolueno. Suele ser sobre todo de uso militar
debido a su elevado coste. Menos común es el ácido pícrico o trinitrofenol. Aunque su poder explosivo
es menor es menos usado por su sensibilidad a golpes y su corrosividad.
Ilustración 14: Trinitrotolueno (izquierda) y ácido pícrico (derecha)
Otro explosivo militar es el hexogen o RDX. Es un compuesto heterocíclico (heterociclo – un ciclo
formado por mas de un tipo de átomos) que se obtiene por ejemplo a partir de la urotropina (C 6H12N4)
y nitrato de amonio:
Illustration 15: síntesis de hexogen
Es uno de los componentes principales de muchos explosivos plásticos. Además de explosivo es un
compuesto tóxico que ha sido usado como rodenticida.
Los plásticos
Los plásticos son polímeros artificiales. Según su comportamiento podemos diferenciar tres clases
grandes:
- Los duroplastes. Se trata de sustancias que no se deforman con el calor sino se descomponen antes
de fundirse.
- Los elastómeros. Se trata de sustancias elásticas. Al calentarse puden deformarse pero al igual que
los duroplastes se descomponen antes de fundirse.
- Los termoplastes. Se trata de polímeros que pueden ser fundidos y/o transformados con el calor.
26
Estos comportamientos diferentes se reflejan en la estructura molecular de los plásticos. Los
duroplastes son normalmente redes tridimensionales. En estas redes cada átomo tiene un lugar más o
menos fijo y no puede salir de el. Algunos de los plásticos mas antiguos como la Bakelita o también la
Melamina pertenecen a este grupo. También pertenecen a este grupo las resinas artificiales como las
usadas para fabricar poliesteres reforzados por fibras.
Los elastómeros están formados por largas cadenas de átomos. Estas tienen escasas conexiones entre
ellas. Así pueden moverse ligeramente una frente a la otra sin poder desplazarse del todo. Sin fuerza
externa suelen volver su forma original.
Los termoplastes están formados por largas cadenas sin conexión alguna entre ellas. Así al calentar el
material estas cadenas se pueden mover libremente una frente a la otra. En este grupo de plásticos
encontramos por ejemplo el polietileno, el polipropileno, el PVF y algunas poliamidas como el Nylon.
Bibliografía:
- wikipedia
Programas recomendadas:
- chemsketch
27