Compuestos oxigenados 1

En química orgánica, una función química es un conjunto de compuestos que comparten un mismo grupo funcional, es decir, un átomo o grupo de átomos que les confiere un comportamiento químico característico.

Los compuestos oxigenados son compuestos ternarios: contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. El oxígeno puede unirse al carbono mediante:

• un enlace simple $\mathrm{C-O}$, como en alcoholes y éteres;
• un enlace doble $\mathrm{C=O}$, llamado carbonilo, como en aldehídos y cetonas;
• o formando parte de un carboxilo $\mathrm{-COOH}$ o un carboalcoxi $\mathrm{-COO-}$, como en ácidos carboxílicos y ésteres.

La tabla siguiente resume las seis funciones oxigenadas básicas.

En este tema, Compuestos Oxigenados 1, trabajaremos con las cuatro primeras: alcoholes, éteres, aldehídos y cetonas. Los ácidos carboxílicos y los ésteres, que se obtienen a partir de muchos de estos compuestos, serán el centro del siguiente tema.

2.1 Definición y grupo funcional

Los alcoholes son compuestos orgánicos que tienen el grupo hidroxilo $\mathrm{-OH}$ unido a un carbono saturado, es decir, un carbono con hibridación $sp^3$ que solo forma enlaces simples.

Su fórmula general es:

$$\mathrm{R-OH}$$

donde $\mathrm{R}$ es un grupo alquilo (o alquenilo/alquinilo, pero el carbono que soporta al $\mathrm{-OH}$ debe ser $sp^3$).

Ejemplos:

• $\mathrm{CH_3-OH}$: metanol
• $\mathrm{CH_3CH_2-OH}$: etanol
• $\mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3}$: 2-propanol

Cuidado: si el grupo $\mathrm{-OH}$ está unido directamente a un carbono $sp^2$ de un anillo aromático, no es un alcohol; es un fenol (lo veremos más adelante). Tampoco es un alcohol típico el $\mathrm{-OH}$ unido a un carbono con doble enlace (enol), aunque puede mencionarse como caso especial.

2.2 Clasificación de los alcoholes

Hay dos criterios útiles.

a) Según el número de grupos hidroxilo

• Monoles: un solo $\mathrm{-OH}$. Ejemplo: $\mathrm{CH_3CH_2OH}$.
• Dioles: dos $\mathrm{-OH}$ en carbonos diferentes. Ejemplo: $\mathrm{CH_2OH-CH_2OH}$, etanodiol o etilenglicol.
• Polioles: tres o más $\mathrm{-OH}$. Ejemplo: $\mathrm{CH_2OH-CHOH-CH_2OH}$, propanotriol o glicerina.

b) Según el tipo de carbono que soporta al $\mathrm{-OH}$

• Alcohol primario: el $\mathrm{-OH}$ está unido a un carbono primario, es decir, a un carbono unido a un solo carbono. Fórmula general: $\mathrm{R-CH_2-OH}$.
• Alcohol secundario: el $\mathrm{-OH}$ está unido a un carbono secundario, unido a dos carbonos. Fórmula general: $\mathrm{R-CH(OH)-R'}$.
• Alcohol terciario: el $\mathrm{-OH}$ está unido a un carbono terciario, unido a tres carbonos. Fórmula general: $\mathrm{R-C(OH)(R')(R'')}$.

Ejemplos:

$$\mathrm{CH_3CH_2-OH} \quad \text{(primario)}$$

$$\mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3} \quad \text{(secundario)}$$

$$\mathrm{(CH_3)_3C-OH} \quad \text{(terciario)}$$

Esta clasificación es importante porque los alcoholes primarios, secundarios y terciarios se oxidan de manera diferente.

2.3 Nomenclatura de alcoholes

Nomenclatura común o funcional

Se escribe la palabra alcohol seguida del nombre del radical alquilo terminado en -ílico:

• $\mathrm{CH_3OH}$: alcohol metílico
• $\mathrm{CH_3CH_2OH}$: alcohol etílico
• $\mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3}$: alcohol isopropílico
• $\mathrm{CH_3CH_2CH_2OH}$: alcohol propílico

Nomenclatura sistemática IUPAC

Reglas básicas:

1. Se elige como cadena principal la más larga que contenga el carbono unido al $\mathrm{-OH}$.
2. Se numera la cadena por el extremo más cercano al grupo $\mathrm{-OH}$.
3. Se cambia la terminación -o del alcano por -ol, indicando con un número la posición del $\mathrm{-OH}$ si la cadena tiene 3 o más carbonos.
4. Los sustituyentes se nombran como en los hidrocarburos.

Ejemplos:

• $\mathrm{CH_3OH}$: metanol
• $\mathrm{CH_3CH_2OH}$: etanol
• $\mathrm{CH_3CH_2CH_2OH}$: propan-1-ol (o 1-propanol)
• $\mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3}$: propan-2-ol (o 2-propanol)

Para un alcohol ramificado: $$\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH(OH)-CH_2-CH_3}$$ Cadena principal: 5 carbonos, $\mathrm{-OH}$ en el carbono 2, metilo en el 3. Nombre: 3-metilpentan-2-ol (o 3-metil-2-pentanol).

Si hay dobles o triples enlaces, la cadena principal debe contener también la insaturación y se numera dando prioridad al $\mathrm{-OH}$ sobre el doble o triple enlace para asignar el menor localizador al grupo funcional principal. Por ejemplo: $$\mathrm{CH_2=CH-CH(OH)-CH_3}$$ Nombre: but-3-en-2-ol (o 3-buten-2-ol).

Polioles

Se usan los sufijos -diol, -triol, etc., conservando la terminación del hidrocarburo:

• $\mathrm{CH_2OH-CH_2OH}$: etano-1,2-diol (etanodiol, etilenglicol)
• $\mathrm{CH_2OH-CHOH-CH_2OH}$: propano-1,2,3-triol (propanotriol, glicerina)

2.4 Propiedades físicas de los alcoholes

Punto de ebullición

Los alcoholes hierven a temperaturas mucho mayores que los alcanos de masa molar parecida. La razón es que las moléculas de alcohol forman puentes de hidrógeno entre sí, porque tienen un hidrógeno unido a un oxígeno ($\mathrm{-O-H}$). Para separar las moléculas al hervir, hay que romper esas atracciones intermoleculares, lo que requiere más energía.

Por ejemplo, el etano $\mathrm{C_2H_6}$ hierve a $-89^\circ\mathrm{C}$, mientras que el etanol $\mathrm{C_2H_6O}$ hierve a $78^\circ\mathrm{C}$.

Solubilidad en agua

Los alcoholes de cadena corta —metanol, etanol, propanoles— son muy solubles en agua porque pueden formar puentes de hidrógeno con las moléculas de agua. A medida que aumenta la longitud de la cadena hidrocarbonada, la parte apolar crece y la solubilidad disminuye. Por eso, los alcoholes de muchos carbonos son insolubles o poco solubles en agua.

Los polioles, al tener varios grupos $\mathrm{-OH}$, forman más puentes de hidrógeno y son aún más solubles y viscosos; la glicerina es un líquido denso y muy soluble en agua.

2.5 Propiedades químicas: la oxidación de alcoholes

Los alcoholes se caracterizan por su comportamiento frente a la oxidación. El resultado depende del tipo de alcohol:

1. Alcohol primario $\mathrm{R-CH_2OH}$:

   • Se oxida suavemente a aldehído $\mathrm{R-CHO}$.
   • Si la oxidación continúa, el aldehído puede convertirse en ácido carboxílico $\mathrm{R-COOH}$.

2. Alcohol secundario $\mathrm{R-CH(OH)-R'}$:

   • Se oxida a cetona $\mathrm{R-CO-R'}$.
   • La cetona resiste la oxidación suave, por lo que la reacción se detiene allí.

3. Alcohol terciario $\mathrm{R-C(OH)(R')(R'')}$:

   • No se oxida en condiciones normales, porque el carbono que soporta al $\mathrm{-OH}$ no tiene hidrógenos para eliminar.

Esta secuencia es fundamental en bioquímica: por ejemplo, en el organismo, el etanol se oxida a etanal y luego a ácido etanoico.

2.6 Aplicaciones de los alcoholes

• Metanol ($\mathrm{CH_3OH}$): se usó históricamente como alcohol de madera; es tóxico y puede causar ceguera si se ingiere.
• Etanol ($\mathrm{CH_3CH_2OH}$): se obtiene por fermentación de azúcares con levaduras; se usa en desinfectantes, bebidas, solventes y biocombustibles.
• Alcohol isopropílico ($\mathrm{(CH_3)_2CHOH}$): se emplea como desinfectante y en productos de limpieza.
• Etilenglicol ($\mathrm{CH_2OH-CH_2OH}$): anticongelante en radiadores.
• Glicerina ($\mathrm{CH_2OH-CHOH-CH_2OH}$): en cosméticos, jarabes y como humectante.

3.1 Definición y grupo funcional

Los éteres son compuestos en los que dos grupos orgánicos están unidos a un mismo átomo de oxígeno. Su grupo funcional es el oxi $\mathrm{-O-}$, y su fórmula general es:

$$\mathrm{R-O-R'}$$

donde $\mathrm{R}$ y $\mathrm{R'}$ pueden ser iguales o diferentes.

Ejemplos:

• $\mathrm{CH_3-O-CH_3}$: dimetil éter
• $\mathrm{CH_3CH_2-O-CH_2CH_3}$: dietil éter
• $\mathrm{CH_3-O-CH_2CH_3}$: etilmetil éter

3.2 Nomenclatura de éteres

Nomenclatura común

Se nombran los dos grupos alquilo en orden alfabético seguidos de la palabra éter:

• $\mathrm{CH_3-O-CH_3}$: dimetil éter
• $\mathrm{CH_3CH_2-O-CH_2CH_3}$: dietil éter
• $\mathrm{CH_3-O-CH_2CH_3}$: etilmetil éter

Si los dos grupos son iguales, el éter es simétrico; si son diferentes, es asimétrico.

Nomenclatura IUPAC

El grupo $\mathrm{-OR}$ se considera un sustituyente alcoxi sobre la cadena principal:

• Se elige como cadena principal la más larga.
• El grupo $\mathrm{-OR}$ se nombra cambiando la terminación del radical alquilo por -oxi: $\mathrm{CH_3O-}$ es metoxi, $\mathrm{CH_3CH_2O-}$ es etoxi.

Ejemplos:

• $\mathrm{CH_3-O-CH_2CH_3}$: metoxietano
• $\mathrm{CH_3CH_2-O-CH_2CH_3}$: etoxietano
• $\mathrm{CH_3-O-CH_2CH_2CH_3}$: 1-metoxipropano (o metoxipropano)

3.3 Propiedades físicas de los éteres

Los éteres son menos polares que los alcoholes. Aunque el enlace $\mathrm{C-O}$ es polar, la molécula del éter no tiene hidrógeno unido a oxígeno; por lo tanto, no forma puentes de hidrógeno entre sus propias moléculas.

Consecuencias:

• Sus puntos de ebullición son mucho más bajos que los de los alcoholes de masa molar comparable.
• Son poco solubles en agua, aunque los éteres de cadena corta pueden disolverse ligeramente porque el oxígeno puede aceptar puentes de hidrógeno del agua.
• Son muy volátiles e inflamables.

El dietil éter fue el anestésico quirúrgico más usado durante más de un siglo. Su bajo punto de ebullición ($34{,}6^\circ\mathrm{C}$) lo hace muy volátil.

3.4 Isomería entre alcoholes y éteres

Los alcoholes y los éteres tienen la misma fórmula global cuando son compuestos saturados acíclicos de $n$ carbonos:

$$\mathrm{C_nH_{2n+2}O}$$

Por eso, un alcohol y un éter con la misma fórmula global son isómeros de compensación funcional. El ejemplo clásico:

$$\mathrm{CH_3CH_2OH} \quad \text{(etanol)} \quad \mathrm{CH_3-O-CH_3} \quad \text{(dimetil éter)}$$

Ambos tienen fórmula global $\mathrm{C_2H_6O}$, pero propiedades muy distintas: el etanol hierve a $78^\circ\mathrm{C}$ y es soluble en agua; el dimetil éter es un gas a temperatura ambiente y poco soluble.

4.1 Definición y grupo funcional

Los aldehídos son compuestos que contienen el grupo carbonilo $\mathrm{C=O}$ en el extremo de la cadena carbonada. Su grupo funcional se escribe $\mathrm{-CHO}$ y su fórmula general es:

$$\mathrm{R-CHO}$$

Ejemplos:

• $\mathrm{H-CHO}$: metanal (formaldehído)
• $\mathrm{CH_3-CHO}$: etanal (acetaldehído)
• $\mathrm{C_6H_5-CHO}$: benzaldehído

En los aldehídos, el carbono carbonílico tiene hibridación $sp^2$, está unido a un hidrógeno, a un carbono (o hidrógeno en el metanal) y al oxígeno mediante un doble enlace.

4.2 Nomenclatura de aldehídos

Nomenclatura común

Muchos aldehídos se conocen por nombres comunes:

• $\mathrm{HCHO}$: formaldehído
• $\mathrm{CH_3CHO}$: acetaldehído
• $\mathrm{C_6H_5CHO}$: benzaldehído

Nomenclatura IUPAC

Se usa el sufijo -al. El carbono del grupo $\mathrm{-CHO}$ siempre es el carbono 1, por lo que no se necesita localizador para el grupo principal.

• $\mathrm{HCHO}$: metanal
• $\mathrm{CH_3CHO}$: etanal
• $\mathrm{CH_3CH_2CHO}$: propanal
• $\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CHO}$: 2-metilpropanal

Si hay otras ramificaciones, se numera desde el carbono del $\mathrm{-CHO}$.

Para aldehídos con insaturaciones, se indica el doble o triple enlace con su localizador:

• $\mathrm{CH_2=CH-CHO}$: prop-2-enal (acroleína)

4.3 Propiedades físicas de los aldehídos

El grupo carbonilo es polar porque el oxígeno atrae los electrones del enlace doble. Sin embargo, los aldehídos no forman puentes de hidrógeno entre sí, porque no tienen hidrógeno unido a oxígeno. Por lo tanto:

• Sus puntos de ebullición son mayores que los de alcanos y éteres de masa similar, pero menores que los de alcoholes equivalentes.
• Los aldehídos de cadena corta son solubles en agua porque pueden aceptar puentes de hidrógeno del agua y porque su parte polar es significativa.

El metanal es un gas a temperatura ambiente (ebulle a $-21^\circ\mathrm{C}$), mientras que el etanal hierve a $20^\circ\mathrm{C}$.

4.4 Propiedades químicas de los aldehídos

La reacción más distintiva de los aldehídos es su fácil oxidación:

• Un aldehído $\mathrm{R-CHO}$ se oxida a ácido carboxílico $\mathrm{R-COOH}$.
• Esta oxidación puede realizarse incluso con oxidantes suaves.

Además, los aldehídos pueden reducirse a alcoholes primarios: $$\mathrm{R-CHO + H_2 \rightarrow R-CH_2OH}$$

Esta reacción es la inversa de la oxidación suave de un alcohol primario.

4.5 Aplicaciones de los aldehídos

• Metanal (formaldehído): su disolución acuosa al 40 % se llama formol, usada como desinfectante y conservante de piezas anatómicas.
• Benzaldehído: posee olor a almendras amargas y se usa en perfumería.
• Etanal (acetaldehído): intermediario en la fabricación de ácido acético y otros productos.

5.1 Definición y grupo funcional

Las cetonas también contienen el grupo carbonilo $\mathrm{C=O}$, pero a diferencia de los aldehídos, ese grupo está en un carbono interno de la cadena, unido a dos carbonos. Su fórmula general es:

$$\mathrm{R-CO-R'}$$

Ejemplos:

• $\mathrm{CH_3-CO-CH_3}$: propanona (acetona)
• $\mathrm{CH_3-CO-CH_2CH_3}$: butanona (etilmetilcetona)
• $\mathrm{CH_3CH_2-CO-CH_2CH_3}$: pentan-3-ona

5.2 Nomenclatura de cetonas

Nomenclatura común

Se nombran los dos radicales unidos al carbonilo seguidos de la palabra cetona:

• $\mathrm{CH_3-CO-CH_3}$: dimetil cetona (acetona)
• $\mathrm{CH_3-CO-CH_2CH_3}$: etil metil cetona

Nomenclatura IUPAC

Se usa el sufijo -ona. Para cetonas con 5 o más carbonos, se numera la cadena para dar al carbono carbonílico el menor localizador posible.

• $\mathrm{CH_3-CO-CH_3}$: propanona
• $\mathrm{CH_3-CO-CH_2CH_3}$: butanona (no necesita localizador porque solo hay una posición posible)
• $\mathrm{CH_3CH_2-CO-CH_2CH_3}$: pentan-3-ona
• $\mathrm{CH_3-CO-CH_2CH_2CH_3}$: pentan-2-ona

Si hay ramificaciones, se numera desde el extremo más cercano al carbonilo: $$\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CO-CH_3}$$ Nombre: 3-metilbutan-2-ona.

5.3 Propiedades físicas de las cetonas

Las cetonas son muy parecidas a los aldehídos en cuanto a polaridad:

• El grupo carbonilo es polar.
• No forman puentes de hidrógeno entre sí.
• Sus puntos de ebullición son mayores que los de alcanos y éteres, pero menores que los de alcoholes equivalentes.
• Las cetonas de cadena corta, como la propanona, son muy solubles en agua.

La acetona (propanona) es el removedor de esmaltes más conocido y un solvente industrial excelente. Su punto de ebullición es $56^\circ\mathrm{C}$ y es miscible con agua.

5.4 Propiedades químicas de las cetonas

A diferencia de los aldehídos, las cetonas resisten la oxidación suave porque no tienen un hidrógeno unido al carbono carbonílico. Solo en condiciones enérgicas pueden romperse y oxidarse, pero no es una reacción relevante para este nivel.

Las cetonas pueden reducirse a alcoholes secundarios: $$\mathrm{R-CO-R' + H_2 \rightarrow R-CH(OH)-R'}$$

5.5 Isomería entre aldehídos y cetonas

Los aldehídos y las cetonas saturados acíclicos comparten la fórmula global:

$$\mathrm{C_nH_{2n}O}$$

Por tanto, un aldehído y una cetona con la misma fórmula global son isómeros de compensación funcional. Ejemplo clásico:

$$\mathrm{CH_3CH_2CHO} \quad \text{(propanal)} \quad \mathrm{CH_3-CO-CH_3} \quad \text{(propanona)}$$

Ambos tienen fórmula $\mathrm{C_3H_6O}$, pero el primero es un aldehído y el segundo una cetona.

Es útil integrar las cuatro familias para no confundirlas. La tabla siguiente resume las diferencias esenciales.

Otra comparación importante:

• Los alcoholes tienen el oxígeno unido a un carbono $sp^3$ mediante enlace simple.
• Los éteres tienen el oxígeno unido a dos carbonos mediante enlaces simples.
• Los aldehídos y cetonas tienen el oxígeno unido a un carbono $sp^2$ mediante doble enlace (un enlace $\sigma$ y un enlace $\pi$).

Isomería estructural

• Isómeros de función: alcohol-éter, aldehído-cetona.
• Isómeros de posición: alcoholes con el $\mathrm{-OH}$ en distinta posición (1-propanol y 2-propanol), cetonas con el carbonilo en distinta posición (2-pentanona y 3-pentanona).

Aunque los fenoles suelen estudiarse como una familia aparte, conviene mencionarlos aquí porque también poseen el grupo $\mathrm{-OH}$ y a veces los confunden con los alcoholes.

Un fenol es un compuesto en el que el grupo $\mathrm{-OH}$ está unido directamente a un anillo aromático. El carbono del anillo que soporta al $\mathrm{-OH}$ tiene hibridación $sp^2$, no $sp^3$.

El representante más simple es el fenol $\mathrm{C_6H_5OH}$. Otros ejemplos:

• Cresoles: metilfenoles, usados como desinfectantes.
• Catecol: $\mathrm{C_6H_4(OH)_2}$ en posición orto.
• Resorcinol: $\mathrm{C_6H_4(OH)_2}$ en posición meta.
• Hidroquinona: $\mathrm{C_6H_4(OH)_2}$ en posición para.

Diferencia clave: los fenoles son más ácidos que los alcoholes, porque el anillo aromático estabiliza la carga negativa que se forma al liberar $\mathrm{H^+}$. No deben confundirse con alcoholes aromáticos (donde el $\mathrm{-OH}$ está en una cadena lateral unida al anillo).

Por ejemplo, el ácido salicílico (ácido 2-hidroxibenzoico) es un fenol y ácido carboxílico a la vez; lo estudiaremos en el próximo tema porque es un ácido carboxílico con un $\mathrm{-OH}$ fenólico.

Muchas preguntas de admisión piden contar carbonos $sp^2$, enlaces $\pi$ y deducir la fórmula global. Estas son las reglas generales.

8.1 Conteo de hibridación y enlaces

• Cada carbono unido solo con enlaces simples es $sp^3$ y no contribuye con enlaces $\pi$.
• Cada carbono con un doble enlace $\mathrm{C=O}$ o $\mathrm{C=C}$ es $sp^2$; ese doble enlace aporta un enlace $\pi$.
• Cada triple enlace $\mathrm{C \equiv C}$ involucra carbonos $sp$ y aporta dos enlaces $\pi$.

Ejemplo: en la propanona $\mathrm{CH_3-CO-CH_3}$, hay:

• 2 carbonos metilo $sp^3$.
• 1 carbono carbonílico $sp^2$.
• 1 enlace $\pi$ (del $\mathrm{C=O}$) y 9 enlaces $\sigma$ (3 C-H + 2 C-C + 1 C=O sigma? en realidad el doble enlace tiene un sigma y un pi, por lo tanto en total: 3+3+2+1+1 sigma = 10 sigma).

Debes practicar este tipo de conteo con cada estructura.

8.2 Fórmulas globales

Para compuestos saturados y acíclicos:

• Alcoholes y éteres: $\mathrm{C_nH_{2n+2}O}$.
  • Ejemplo: etanol y dimetil éter: $n=2$, $\mathrm{C_2H_6O}$.
• Aldehídos y cetonas: $\mathrm{C_nH_{2n}O}$.
  • Ejemplo: propanal y propanona: $n=3$, $\mathrm{C_3H_6O}$.

Estas fórmulas justifican la isomería de compensación funcional. Si la cadena tiene insaturaciones o anillos, la fórmula cambia; en esos casos se debe calcular contando átomos.