Formulación y nomenclatura de la química orgánica para principiantes

Hola descubridoras y descubridoras de la química,

Tenemos pendiente una entrada en la que se explique la formulación y nomenclatura de la química orgánica, a nivel bachillerato-ABAU ¡Pues llegó el momento! 

 

A diferencia de como hicimos en formulación y nomenclatura de la química inorgánica, que hicimos presentaciones en slideshare, aquí va a ser una entrada en la que tengáis toda la información en un mismo enlace

MANERAS DE REPRESENTAR LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS

 

- FÓRMULA MOLECULAR

Son las fórmulas más simples que se pueden utilizar para describir a un compuesto, que muestran solamente los elementos (símbolo atómico) que lo forman y su número (subíndice), por ejemplo H₂O y C₆H₁₂O₆. Estas fórmulas, nos indican en el primer caso, que la molécula contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. En el segundo caso, que la molécula contiene seis átomos de carbono, doce átomos de hidrógeno y seis átomos de oxígeno.

Sin embargo, las fórmulas moleculares no proporcionan información sobre las conexiones entre los distintos átomos (enlaces) ni sobre su distribución espacial y, por lo tanto, no permiten distinguir los compuestos que, con la misma fórmula molecular, poseen distinta estructura (isómeros). 

Para ello es necesario recurrir a representaciones más precisas que muestran con mayor o menor detalle los átomos que los constituyen y el modo en el que están conectados entre sí por medio de enlaces. Para explicar las otras maneras, en esta presentación tomaremos como base la estructura de dos compuestos cuyas fórmulas moleculares son C₆H₈ y C₄H₉BrO respectivamente.

- FÓRMULAS DESARROLLADAS (EXPANDIDAS)

Se representan todos los átomos por sus símbolos y los enlaces que los unen por trazos.

 

Tal y como se ve en la imagen, se pueden apreciar todos los átomos presentes en las moléculas, y también como están enlazados. Si contamos los carbonos e hidrógenos del compuesto de la izquierda llegaremos a C₆H₈ y si contamos los C, H, Br y O del compuesto de la derecha llegamos a C₄H₉BrO.

-FÓRMULAS SEMIDESARROLLADAS (SEMIEXPANDIDAS O SEMICONDENSADAS)

Se omiten los trazos que representan los enlaces entre los hidrógenos y los carbonos/heteroátomos a los que están unidos, pero sí se indica su número empleando subíndices. 

 

En estos casos, por ejemplo, no se ven los enlaces carbono-hidrógeno, ni el enlace carbono-bromo. Sin embargo, sí que se pueden ver los enlaces que nos indican como están conectados los carbonos entre ellos. Si contamos los carbonos e hidrógenos del compuesto de la izquierda llegaremos a C₆H₈ y si contamos los C, H, Br y O del compuesto de la derecha llegamos a C₄H₉BrO. Para lo que nos interesa en esta entrada utilizaremos principalmente las formulas semidesarrolladas.

HIDROCARBUROS

Los hidrocarburos son compuestos formados exclusivamente por carbono e hidrógeno y con fórmula empírica C_xH_y. Se pueden distinguir varias clases:

 

-ALCANOS, ALQUENOS Y ALQUINOS

Los alcanos o hidrocarburos saturados son los hidrocarburos en los que todos los átomos de carbono tienen hibridación sp³ y los enlaces carbono-carbono son enlaces simples.

Los alquenos y alquinos son hidrocarburos insaturados en los que algún átomo de carbono tiene hibridación sp² (para los alquenos) o sp (para los alquinos) y los enlaces carbono-carbono son dobles (para los alquenos) o triples (para los alquinos).

Para nombrar estos compuestos seguiremos la siguiente regla general:

 

El término numérico consiste en un prefijo que indica el número de carbonos (se suprime la letra -a al final del mismo). Los prefijos se resumen en la siguiente tabla:

La terminación genérica indica si se trata de un hidrocarburo saturado o insaturado, y en este segundo caso de que tipo de hidrocarburo insaturado estamos hablando. Son las siguientes:

 

Es importante tener muy claro que alrededor de un átomo de carbono tiene que haber haber cuatro enlaces, te recomiendo leer por tanto la entrada “Fallos a la hora de representar moléculas orgánicas” en la que se aclaran casos en los que es muy común poner enlaces de más. Al igual, que entre un átomo de hidrógeno y un átomo de carbono no puede haber enlaces múltiples. Por este motivo, el meteno y el metino no existen, para los compuestos con carbonos sp² y sp³ se empieza en el prefijo Et-.

 

A continuación os muestro ejemplos de alcanos, sobre los cuales me gustaría hacer algunos comentarios. En primer lugar, veréis que a la izquierda de la cadena el CH₃– se escribe como H₃C–, esto es debido a que es una manera más correcta de representar cómo están enlazados los hidrógenos con el carbono.  En el caso del heptano, se ha escrito un corchete en el [–CH₂–]₅, esto indica que el CH₂ aparece cinco veces seguidas, con esta nomenclatura no es necesario dibujar 5 CH₂ porque el corchete ya nos indica que aparece cinco veces. Pero ¡OJO! Esta nomenclatura es sólo válida para cuando la cadena es lineal. Cuando la cadena sea ramificada, como veremos después, sólo se pondrá el corchete en el trozo de la cadena lineal que se repite.

Para compuestos de tres carbonos hay dos posibilidades de colocación del doble enlace, pero si volteáis la molécula 180º, os daréis cuenta de que se trata de la misma molécula. Sin embargo, para moléculas de más de cuatro átomos de carbono ya existen varias posibilidades de colocación del doble enlace. Por lo que es necesario, incorporar y aplicar el concepto de localizador.

 

Cuando es necesario señalar una determinada posición de la cadena carbonada, por ejemplo, un doble o un triple enlace, se asignan números correlativos a cada carbono. Dichos números se llaman localizadores. No existe una norma general que diga los localizadores se asignan de derecha a izquierda o de izquierda a derecha. Pero, sí que existen unas reglas que nos dicen en función de lo qué contenga la cadena como asignar esos localizadores. Para el caso concreto de los alquenos y alquinos puedes leer la entrada “Selección de localizadores adecuados de alquenos y alquinos”.

 

Cuando una molécula tiene dobles o triples enlaces, se coloca el localizador número 1 hacia el extremo de la cadena donde esté localizado el doble o triple enlace y quede este con una numeración más baja. En el caso de moléculas simétricas, da igual hacia que lado coloquemos el 1.

 

Si coexisten dobles y triples enlaces en una misma estructura, para nombrarla se escribirán primero los localizadores de los dobles enlaces y después los localizadores de los triples enlaces. La cadena se numera de forma que a los dobles y triples enlaces – indistintamente – les correspondan los localizadores con valor más bajo posible.

A la hora de escribir el nombre, se escribe el prefijo, los localizadores entre guiones y las terminaciones precedidas de otro prefijo en el caso de que haya varios dobles o triples enlaces. Aquellos hidrocarburos que presentan más de un doble enlace, se denominan polienos y aquellos hidrocarburos que presentan más de un triple enlace se llaman poliinos. Algunas veces serán los dobles y otras los triples enlaces los que tengan los localizadores más bajos, tal y como veremos a continuación en los ejemplos.

En el primer ejemplo, el localizador más bajo corresponde al alquino, al generar así la combinación numérica de menor valor, y en el siguiente, el localizador más bajo corresponde al alqueno.

 

El segundo ejemplo, es el caso de que ambas secuencias numéricas sean iguales, para decidir entre un doble y un triple enlace, el localizador más bajo se asigna siempre al doble enlace.

-HIDROCARBUROS RAMIFICADOS

Hasta ahora hemos trabajado con compuestos de cadenas lineales. Pero vamos a complicarlo un poco más. En vez de tener hidrógenos como sustituyentes de las cadenas del medio, vamos a incorporar cadenas hidrocarbonadas obteniendo hidrocarburos ramificados.

En un hidrocarburo ramificado, los sustituyentes sobre la cadena lineal principal hacen el papel de cadenas laterales y también se denominan radicales. En este contexto, un radical es el conjunto de átomos que resulta de la pérdida formal de un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo. Si el hidrocarburo es un alcano, el radical resultante se denomina radical alquilo y se nombra sustituyendo la terminación -ano del alcano de procedencia por -ilo. Si es un alqueno, se nombrará sustituyendo la terminación -eno por  -enilo. Y si es un alquino, se nombrará sustituyendo la terminación -ino por -inilo.

Es necesario conocer la estructura y los nombres de algunos radicales, los cuales se resumen en la siguiente tabla. Los radicales derivados del propano y el butano pueden traer confusiones, por eso, en Descubrir La Química hemos preparado una entrada en la que los explicamos con calma, la cual os dejo pinchando en la palabra enlace. Además, el alil y el vinil también causan confusión, por lo que hicimos lo mismo pulsa la palabra link.

A la hora de poner localizadores, se colocarán de tal manera que a los radicales les queden los números más bajos posibles. En caso de coexistencia de radicales y enlaces múltiples, a la hora de numerar, prevalecerán los enlaces múltiples sobre los radicales. Sin embargo, a la hora de nombrar se nombrarán primero los radicales y después los dobles y triples enlaces.

A la hora de nombrar estos compuestos, aplicaremos secuencialmente las siguientes reglas:

1)   Seleccionamos la cadena de carbonos más larga de la molécula y utilizaremos el nombre del hidrocarburo con esta cadena como nombre base. Como vimos en la sección anterior, con la excepción de los nombres vulgares metano, etano, propano y butano, los prefijos griegos estándar sirven para relacionar el nombre con el número de átomos de carbono en la cadena, como en pentano, hexano, etc.

2)   Consideramos que cada rama de la cadena principal es un grupo alquilo sustituyente. La tabla anterior muestra los nombres de los grupos alquilo más frecuentes.

3)   Numeramos los átomos de carbono de la cadena principal de manera que los sustituyentes y los enlaces múltiples aparezcan en los números más bajos posibles. En caso de coexistencia de ambos, se numerará de manera que los localizadores con números más bajos queden en los enlaces múltiples.

4)   Asignamos a cada sustituyente un nombre de acuerdo con su identidad química y el número del átomo de carbono al que está unido. Para sustituyentes idénticos utilizaremos di, tri, tetra y así sucesivamente, y escribiremos el número del carbono correspondiente a cada sustituyente.

5)   Separamos los números entre sí mediante comas sin espacios y los números de las letras mediante guiones.

6)   Escribimos los sustituyentes según el orden alfabético de sus nombres, ignorando los prefijos di-,tri-,sec- y terc-. Así, el terc-butil precede al metil en el nombre 4-terc-butil-2-metilheptano. Sin embargo, el prefijo iso- no se ignora al ordenar alfabéticamente.

Nota: En caso de que en un átomo de carbono haya dos sustituyentes del mismo tipo, se pondrá el localizador dos veces separado por comas.

A continuación veremos estas reglas aplicadas en ejemplos:

Antes de avanzar os recomiendo leer la entrada del blog que se titula “Elegir la cadena más larga”.

-HIDROCARBUROS CÍCLICOS

Los hidrocarburos que contienen átomos de carbono alifáticos (no aromáticos) que forman anillos se conocen como hidrocarburos cíclicos, carbociclos o cicloalcanos. Los más sencillos son los monocíclicos, que se nombran anteponiendo el prefijo ciclo- al nombre del hidrocarburo (alcano, alqueno, alquino o combinación de estos) de cadena abierta del mismo número de carbonos.

A la hora de representarlos, se dibujan como el polígono correspondiente al número de carbonos que tienen y se colocan los dobles y triples enlaces y sustituyentes según proceda. Esto quiere decir, partiendo del cicloalcano correspondiente, que el ciclopropano es un triángulo; el ciclobutano un cuadrado; el ciclopentano un pentágono; el ciclohexano un hexágono, etc. Y ¡OJO! Aquí es muy tentador dibujar carbonos de cinco enlaces porque no se dibujan los hidrógenos.

Debido a la simetría de estos compuestos, cuando el anillo es la cadena principal, se le asigna el localizador nº1 al carbono que porta el sustituyente o el enlace múltiple al carbono que porta el sustituyente y el resto del anillo se numera consecutivamente.

Al igual que en hidrocarburos de cadena abierta, a la hora de asignar localizadores prevalecen los dobles y triples enlaces sobre los radicales. A la hora de nombrar los sustituyentes en hidrocarburos cíclicos, se formará el nombre ordenando los sustituyentes por orden alfabético. Se recuerda que -iso alfabetiza, mientras que di-,tri-,sec- y terc no alfabetizan.

Se recomienda leer Asignación de localizadores en ciclos.

-HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

Conjunto de hidrocarburos insaturados (cíclicos y con enlaces dobles), el más sencillo es el benceno. El benceno posee tres dobles enlaces alternos y deslocalizados en el anillo aromático, por lo que los dobles enlaces pueden dibujarse de dos maneras.

Los bencenos monosustituídos, estos se nombran de la siguiente manera: nombre del radical + benceno.

En los bencenos disustituídos, debido a la simetría de este compuesto hay tres posibles posiciones que tienen nombres propios. Estas son las que se pueden ver en la figura. 

En caso de bencenos trisustituídos, se aplicarán las reglas explicadas anteriormente.

El benceno puede actuar como radical, cuando este procede directamente del benceno se llama fenil. Pero cuando entre el benceno y la cadena de la que actúa como radical hay un carbono se llama bencil. Se recomienda leer bencil y fenil.

Puede resultar interesante conocer las estructuras de algunos hidrocarburos aromáticos interesantes como el naftaleno, antraceno y fenilbenceno que resultan de la unión de varios anillos de benceno.

PRINCIPALES GRUPOS FUNCIONALES

En los compuestos orgánicos suele haber otros elementos además, del carbono y el hidrógeno. Estos elementos aparecen en agrupaciones diferenciadas de uno o varios átomos, denominadas grupos funcionales. Los cuales describiremos a continuación.

-HALOCOMPUESTOS

Los derivados halogenados son los compuestos orgánicos que contienen halógenos, es decir, átomos de flúor, cloro, bromo o yodo. De modo general, se suele utilizar la letra X para representar a cualquier halógeno. Así, por R-X nos referimos a cualquier derivado monohalogenado alifático y por Ar-X representamos los derivados halogenados aromáticos. Derivados halogenados sencillos que se conocen por su nombre común son los siguientes:

CHF₃ Fluoroformo

CHCl₃ Cloroformo

CHBr₃ Bromoformo

CHI₃ Yodoformo

Los derivados halogenados R-X y Ar-X se pueden nombrar de modo sistemático por dos procedimientos:

a)    Nomenclatura por sustitución

b)   Nomenclatura por grupo funcional

La primera es de uso más general y permite nombrar fácilmente cualquier derivado halogenado, mientras que la segunda se reserva fundamentalmente para los compuestos de estructura más sencilla.

-Nomenclatura por sustitución

En este sistema se considera que la estructura fundamental es la constituida por el esqueleto de hidrocarburo representado por R o Ar (alcano, alqueno, alquino, aromático), mientras que los halógenos X presentes en la estructura se consideran como si fueran grupos alquilo.

El nombre se construye tal como hemos visto en las secciones anteriores dedicadas a alcanos, alquenos, alquinos, cicloalcanos e hidrocarburos aromáticos sustituídos, añadiéndosele al nombre de la “estructura fundamental” el prefijo propio del grupo funcional.

A continuación, os muestro algunos ejemplos de haloalcanos. Para nombrarlos, aplicaremos las normas seguidas hasta ahora y consideraremos al átomo X como un sustituyente alquílico, es decir:

1º) Localizamos la cadena principal, que es la cadena más larga. Numeramos de forma que a los sustituyentes les correspondan los localizadores que formen la combinación más baja posible, considerando a los halógenos como si fueran grupos alquilo.

2º) Si existen varios átomos de halógeno iguales, se utilizan los prefijos di-,tri-,etc, que no se tienen en cuenta en el orden alfabético, cuando se aplican a un sustituyente sencillo (halógeno o cadena lateral sin ramificar).

3º) Si existen varios halógenos distintos en una misma molécula, para formar el nombre se ordenan por orden alfabético considerándolos como si fueran grupos alquilo.

Si la estructura fundamental R o Ar sobre la que se localizan los halógenos X, es un cicloalcano, un alqueno, un alquino, un anillo aromático, etc, para nombrarlos se siguen las propias normas de esos hidrocarburos, pero considerando a los halógenos como si fuesen sustituyentes alquílicos más.

-Nomenclatura por grupo funcional

En este procedimiento, los derivados halogenados se nombren como halogenuros de alquilo o de arilo. Es decir, se considera al grupo funcional X como la parte fundamental, mientras que el resto de la estructura R o Ar se describe como el radical o sustituyente.

Para formar el nombre, se usa el término que define al grupo funcional – fluoruro, cloruro, bromuro, yoduro – seguido de la preposición de y del nombre del sustituyente R o Ar.

Los sustituyentes (radicales) divalentes -CH₂- y CH₂-CH₂-, se denominan metileno y etileno respectivamente (no confundir con el alqueno eteno, CH₂=CH₂), y así el 1,2-dibromoetano puede nombrarse también como dibromuro de etileno, y el diclorometano como dicloruro de metileno.

Como se puede ver, la nomenclatura por grupo funcional sólo es útil si el sustituyente R o Ar es sencillo. Para los demás casos os recomiendo utilizar la nomenclatura de sustitución.

Si todos los átomos de hidrógeno de un compuesto – excepto aquellos característicos de un grupo funcional determinado (los veremos a continuación) – han sido sustituídos por un mismo tipo de átomo halógeno, se pueden nombrar añadiendo el prefijo perhalógeno-, al nombre del hidrocarburo correspondiente no halogenado. Los cuatro tetrahalometanos (CX₄) se suelen nombrar también como tetrahaluros de carbono.