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Departamento de Química Aplicada a la IngenieríaFORMULACIÓN Y NOMENCLATURA DE LOS COMPUESTOSORGÁNICOSÍNDICE GENERAL Introducción............................................................ Hidrocarburos......................................................... Alcanos....................................

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Departamento de Química Aplicada a la Ingeniería

FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA DE LOS COMPUESTOS

ORGÁNICOS

ÍNDICE GENERAL

Introducción……………………………………………………

3

Hidrocarburos…………………………………………………

8

Alcanos………………………………………………….

9

Alquenos……………………………………………….

14

Alquinos………………………………………………..

17

Hidrocarburos cíclicos………………………………….

19

Cicloalcanos…………………………………………….

19

Cicloalquenos y cicloalquinos………………………….

20

Hidrocarburos aromáticos………………………………

22

Hidrocarburos policíclicos condensados……………….

26

Derivados halogenados……………………………………….

32

Alcoholes………………………………………………………

34

Fenoles………………………………………………………..

36

Éteres………………………………………………………….

38

Aldehídos……………………………………………………..

40

Cetonas……………………………………………………….

41

Ácidos carboxílicos…………………………………………

43

Derivados de ácidos carboxílicos……………………………

47

Sales……………………………………………………

47

Ésteres…………………………………………………

48

Anhidrídos de ácido..………………………………….

48

Haluros de acilo……………………………………….

49

Aminas………………………………………………………..

50

Amidas .……………………………………………………….

53

Imidas .………………………………………………………..

56

Nitrilos.……………………………………………………….

57

Nitroderivados.………………………………………………

59

TABLA RESUMEN.................................................................

60

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FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS INTRODUCCIÓN

Se exponen aquí, de forma resumida, las normas y reglas más importantes para formular y nombrar los compuestos orgánicos, con objeto de que sirvan para repaso y consulta voluntaria para los estudiantes, a sabiendas de que su extensión, en ocasiones, supera los objetivos del curso.

Como es sabido, los compuestos orgánicos están formados por la combinación de un número muy reducido de elementos, además del Carbono, como son: el Hidrógeno, el Oxígeno, el Nitrógeno, el A zufre, el Fósforo, en menor medida los halógenos y otros elementos. Pese a todo, el número de compuestos con que nos podemos encontrar es sorprendentemente elevado, llegando a superar en más de cinco veces al número de compuestos conocidos inorgánicos. La razón de la existencia de tan gran número de moléculas orgánicas estriba en la facilidad de combinación del átomo de carbono consigo mismo, así como con otros elementos, debido a su capacidad para poder compartir sus cuatro electrones de valencia, dando lugar a enlaces simples, dobles o triples, según que comparta uno, dos o tres pares de electrones con otro átomo. A los enlaces sencillos se les llama saturados, mientras que a los enlaces dobles y triples, se les llama insaturados. Todo esto justifica sobradamente que, para el estudio de estos compuestos, exista una rama específica de la QUÍMICA que recibe el nombre de QUÍMICA ORGÁNICA. Afortunadamente, y a pesar de esta enorme variedad de compuestos, su nomenclatura y formulación están, si cabe, más sistematizada que en Química Inorgánica, y todas las normas internacionales recomendadas por la UNIÓN INTERNACIONAL DE QUÍMICA PURA Y APLICADA (IUPAC) son cada vez más admitidas y utilizadas. No obstante, hay que tener en cuenta que es precisamente en Química Orgánica donde, con mayor frecuencia, se siguen utilizando los nombres vulgares comerciales o el de otros sistemas de nomenclatura, con preferencia en muchos casos al nombre sistemático. Sirva de ilustración el siguiente ejemplo: Nombre vulgar: Alcohol etílico o simplemente “alcohol” CH 3  CH 2OH

Nombre derivado: Metil-carbinol (en desuso) Nombre según la IUPAC: Etanol

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Antes de entrar en las reglas de FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA, es necesario referirse a una serie de términos y consideraciones “técnicas” de uso frecuente que definiremos previamente.

Fórmulas Se denomina como fórmula a la combinación de símbolos y subíndices que indican los componentes de una sustancia y la proporción en que se encuentran presentes. Las fórmulas pueden ser empíricas, las que indican la proporción de los elementos presentes en la molécula según números enteros más sencillos, y desarrolladas, las que indican, además, la distribución y uniones de los átomos en la molécula. Si el grado en que se explicitan las uniones y distribución de los átomos es menor, se puede considerar también el tipo de fórmula semidesarrollada. Por ejemplo: Eteno: Fórmula empírica Fórmula semidesarrollada

C2 H 4 CH2  CH2

H \ Fórmula desarrollada

H /

C C / H

\ H

Por nomenclatura podemos considerar al conjunto de reglas mediante las cuales se puede asignar un nombre unívoco a cualquier sustancia, ya sea simple o compuesta. Nombre fundamental o sistemático

Es aquel que se toma como base para la nomenclatura sistemática de otros compuestos derivados, mediante la introducción de PREFIJOS y/o SUFIJOS añadidos al mismo. Por ejemplo. Nombre fundamental: Etano Prefijo: Ácido Nombre derivado:

Ácido Etanoico Sufijo: ico

Compuesto origen Es la cadena principal o sistema de anillos de los que deriva el nombre de un determinado compuesto. Por ejemplo: el etil-ciclohexano deriva del ciclohexano.

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Nombre vulgar

Es el nombre que no se ajusta a las normas internacionales establecidas y cuyo uso está muy arraigado en el lenguaje químico común. En muchos casos se trata de nombres aceptados por la IUPAC, como por ejemplo el acetileno. Tipos de átomos de carbono

En los compuestos orgánicos se distinguen cuatro tipos de átomos de carbono, según el número de sustituyentes ligados al mismo Carbono primario, el que está ligado ó unido a un átomo de carbono ( R  CH3 ) Carbono secundario, el que está ligado a dos átomos de carbono (R  CH2  R1 )

Carbono terciario, el que está ligado a tres átomos de carbono

( R  CH  R1 ) | R2 R

Carbono cuaternario, cuando está ligado a cuatro átomos de carbono

| (R1  C  R2 ) | R3

Siendo R, R1, R2, R3, cadenas carbonadas diversas. Isomería

Se denomina así al fenómeno que presentan muchos compuestos, que poseen la misma fórmula empírica, (el mismo peso molecular y la misma fórmula condensada), pero diferente fórmula desarrollada y, en consecuencia, diferentes propiedades químicas. Los compuestos que presentan esta propiedad se llaman isómeros. Se pueden considerar varios tipos de isomería: a) Isomería de cadena o de esqueleto. La presentan los compuestos que tienen distinta forma de distribución en su cadena carbonada. Por ejemplo, Fórmula empírica: C4 H10 , fórmulas desarrolladas: CH 3  CH 2  CH 2  CH 3

y

CH3  CH  CH3 |

CH 3 b) Isomería de posición. Se da en compuestos con iguales grupos funcionales, pero situados en distinta posición en la cadena carbonada. Por ejemplo, Fórmula empírica: C3 H 8O , fórmulas desarrolladas:

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CH3  CH  CH3 |

HO  CH 2  CH 2  CH 3

y

OH c) Isomería de función. Presentan este tipo de isomería los compuestos que tienen diferentes funciones, y por lo tanto, distinta fórmula estructural, con la misma fórmula molecular. En alcoholes y éteres con el mismo número de átomos de carbono se da este tipo de isomería, así como en los aldehídos y cetonas. Por ejemplo, Fórmula empírica: C3 H 8O , fórmulas desarrolladas: CH 3  CH 2  CH 2OH (Función alcohol)

y

CH 3  O  CH 2  CH3 (Función éter)

d) Esteroisomería. Se presenta este tipo de isomería en aquellos compuestos que tiene igual fórmula desarrollada plana, pero distinta disposición de los sustituyentes en el espacio tridimensional. A su vez, esta isomería puede ser de dos tipos: geométrica (isomería cis-trans o Z-E, iniciales de las palabras alemanas Zusammen: juntos y Entgegen: opuestos), e isometría óptica. Radicales

Análogamente a como ocurre en los compuestos inorgánicos, son agrupaciones atómicas formados por una cadena carbonada, con alguna o algunas valencias sin saturar y que, como aquellos, normalmente sólo existen unidos a otra cadena o especie molecular. Los hay de varias clases, según el grupo de procedencia del radical. Su nomenclatura consiste en cambiar la terminación del nombre del Hidrocarburo de procedencia en il o ilo. Por ejemplo: Radical Met ilo, (monovalente), procede del CH4 ,metano CH 3  CH 3  CH 2  Radical Et ilo (monovalente), procede del CH3  CH3 , etano También puede haber radicales multivalentes, como por ejemplo: CH 2  CH 2  CH 2 

Radical Metileno, (divalente), procede del CH4 metano Radical Etileno, (divalente) procede del CH3  CH 3 etano

Grupo funcional

Se denomina así al átomo o al grupo de átomos que confiere propiedades similares a los compuestos que lo poseen. La existencia de estas analogías facilita enormemente el estudio sistemático de los compuestos orgánicos ya que nos permite clasificar por FAMILIAS a los que presentan el mismo grupo funcional.

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Por ejemplo. ALCOHOLES: Poseen el grupo funcional “OH” ÁCIDOS: Poseen el grupo funcional “COOH” CETONAS: Poseen el grupo funcional “CO” ………….. ……………………………………… Grupo principal

Es el grupo funcional característico y de mayor rango dentro de un compuesto y al cual se va a referir su nombre. Cuando se pretende nombrar una molécula orgánica con una estructura de cierta complejidad, en la que figuran varios grupos funcionales diferentes, es necesario establecer un orden de prioridad de dichos grupos a la hora de nombrar ese compuesto. Este orden de prioridad de citación, establecido por la IUPAC, considerando únicamente los grupos funcionales más importantes es el siguiente: 1º Cationes. 2º Ácidos carboxílicos. 3º Derivados de ácido (anhídridos, ésteres, haluros de acilo, amidas, imidas,…) 4º Nitrilos, isocianuros. 5º Aldehídos y derivados. 6º Cetonas, y derivados. 7º Alcoholes, fenoles, 8º Aminas, iminas, 9º Éteres. 10º Peróxidos. Localizantes ó localizadores

Son números, en caracteres arábigos, que sirven para designar los átomos de la cadena principal en los que existe un sustituyente, colocados antes o después del nombre del sustituyente, con objeto de indicar su posición dentro de la estructura principal. Los localizadores sobre átomos de carbono son números naturales (1,2,3,4,…) y sobre átomos de nitrógeno la letra N. Si es necesario, la posición del GRUPO PRINCIPAL se indica también mediante un localizador situado detrás del nombre del GRUPO, por ejemplo 2-metil-propanol-1. Para determinadas posiciones relativas, por ejemplo, en los compuestos derivados del benceno, se emplean también letras o-(orto), m-(meta) y p-(para). Se usan números primados para designar sustituyentes en otro sustituyente o cadena lateral, o para designar posiciones simétricas en diferentes núcleos o anillos (1´,

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2´, 3´, … 1´´, 2´´, 3´´, …). En el caso de átomos de nitrógeno también se emplea esta señalización cuando se trata de dos o más de dichos átomos diferentes (N´, N´´, …) Utilización y significado de los signos ortográficos

La coma: Se utiliza para separar entre sí los localizantes (números) 2,3,4,… El Guión: Se emplea para separar números (localizantes) de letras. Por ejemplo: 2-metil… El paréntesis: Se utiliza para separar sustituyentes con estructura compleja, respecto de la estructura principal. Por ejemplo: 2 (2,3-dimetilbutil) heptanol-1 Los prefijos multiplicativos: Se emplean cuando en una estructura hay sustituyentes iguales. Son: di, tri, tetra,… Por ejemplo: Dimetil, trimetil, tetraetil,… Veamos a continuación las reglas de nomenclatura de las principales series de FUNCIONES, comenzando por los HIDROCARBUROS y, dentro de ellos, por los alcanos. HIDROCARBUROS

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos constituidos exclusivamente por carbono e hidrógeno. A grandes rasgos, podemos dividirlos en dos grandes grupos o series, cada una de las cuales se pueden, a su vez, subdividir en otras. Saturados

ACÍCLICOS

(Alcanos)

Alquenos No Saturados Alquinos

Serie ALIFÁTICA

HIDROCARBUROS

CÍCLICOS

Cicloalcanos Cicloalquenos Cicloalquinos

Serie AROMÁTICA: Hidrocarburos Bencénicos

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Alcanos

Los Alcanos son compuestos formados únicamente por Carbono e Hidrógeno, pertenecientes a la serie alifática, de cadena abierta (acíclicos) y con todos sus enlaces saturados (átomos de Carbono con hibridación tetraédrica sp3). Aunque en el orden de prelación de funciones se considere a los hidrocarburos con el menor rango, éstos son los que aportan el nombre fundamental. Por tanto, las reglas que vamos a enunciar, servirán para cualquier otra función, sin más que añadir en cada caso una regla adicional preferente para la elección de la cadena principal y para la numeración de los átomos de carbono. Las Reglas recomendadas por la IUPAC, las podemos resumir del modo siguiente: REGLA I

“Los alcanos de cadena lineal se designan con el prefijo en griego que indica el número de átomos de carbono, seguido del sufijo ano. Se exceptúan los cuatro primeros compuestos de la serie, que reciben los nombres que se indican: CH4

Met ano (CH 4 )

CH3  CH 3

Et ano

CH3  CH2  CH3

Prop ano (C3 H 8 )

CH3  CH 2  CH2  CH3

But ano (C4 H10 )

CH3  CH 2  CH 2  CH 2  CH 3

Pentano (C5 H 12 )

CH3  (CH2 )4  CH 3

Hexano (C6 H14 )

CH3  (CH2 )5  CH 3

Heptano (C7 H16 )

CH 3  (CH 2 ) 6  CH 3

Octano

(C8 H18 )

CH3  (CH2 )7  CH 3

Nonano

(C9 H 20 )

CH3  (CH2 )8  CH 3

Decano

CH3  (CH2 )9  CH 3

Undecano (C 11H 24)

CH3  (CH2 )10  CH 3

Dodecano (C12H 26)

CH3  (CH2 )13  CH 3

Pentadecano (C15 H 32 )

(C2 H6 )

(C10H 22 )

9

CH3  (CH2 )18  CH 3

Icosano (C20 H42 )

CH3  (CH2 )19  CH 3

Heneicosano (C21 H 44 )

CH3  (CH2 )28  CH 3

Triacontano (C30 H 62 )

Observando la secuencia anterior se deduce que la fórmula general de los hidrocarburos saturados o alcanos es Cn H 2 n 2, para n = 1, 2,3,4,…. REGLA II

Se refiere a los radicales monovalentes de los alcanos lineales. Se denominan radicales los agregados de átomos procedentes de un hidrocarburo lineal, por pérdida de un átomo de hidrógeno. Esta regla establece que: “Los radicales se nombrarán como derivados de los alcanos lineales de igual número de átomos de carbono, cambiando la terminación ano del hidrocarburo por la terminación ilo. En ocasiones, esta terminación ilo pierde la o final, sobre todo cuando entra a formar parte del nombre de un compuesto como tal radical, y queda en il. La numeración de los átomos de carbono se comenzará siempre por el átomo de carbono que presente la valencia libre”. El nombre genérico de estos radicales es el de alquilos. Ejemplos:

Alcano

Radical

CH4

Nombre

CH 3 

Metilo

C2 H6

C2 H 5 

CH 3  CH 2 

Etilo

C3 H8

C3 H 7 

CH 3  CH 2  CH 2 

Propilo

C3 H 7 

C4 H10

CH 3  CH  CH 3 |

Isopropilo

C4 H 9 

CH3  (CH2 )2  CH 2 

Butilo

C4 H 9 

CH 3  CH  CH 2  |

Isobutilo

CH 3 CH 3  CH 2  CH    CH3

Sec-butilo

10

CH 3  CH 3  C 

Terc-butilo

 CH 3

C5 H12

C5 H11 

CH3  (CH2 )3  CH 2 

Pentilo

CH3  CH 3  CH 2  C 

Terc-pentilo

 CH3

C7 H16

C5 H11 

CH 3  C (CH 3 )2  CH 2 

Neopentilo

(C7 H15 )

CH 3  (CH 2 ) 5  CH 2 

Heptilo

Obsérvese que los prefijos sec y terc, que se mencionan en la tabla precedente, se refieren a carbonos secundarios y terciarios respectivamente REGLA III Se refiere a la nomenclatura de los hidrocarburos saturados con ramificaciones, y establece que: “Los hidrocarburos alcanos ramificados, se nombrarán como derivados del hidrocarburo lineal de mayor número de átomos de carbono, nombrando las ramificaciones como sustituyentes radicálicos. La cadena, conteniendo el mayor número de átomos de carbono, recibe el nombre de CADENA PRINCIPAL” Las cuestiones a plantearse para la aplicación de estas reglas se resumen en tres: a) La elección de la cadena principal. b) La NUMERACIÓN de dicha cadena, esto es, asignar un número de localizantes a cada átomo de carbono empezando por uno u otro extremo. c) Establecer el ORDEN para nombrar las ramificaciones de la cadena principal (cadenas radicálicas o cadenas secundarias) Criterios para la elección de la cadena principal

Estos criterios se aplican en orden de prioridad decreciente, es decir, si el primero nos permite la elección no aplicaremos los siguientes, y así sucesivamente.

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1º Se elegirá como CADENA PRINCIPAL la que contenga el mayor número de átomos de carbono, teniendo en cuenta que dicha cadena no tiene que ser necesariamente la cadena horizontal. 2º La que tenga mayor número de cadenas laterales o secundarias. 3º La que tenga localizadores de las cadenas secundarias más bajos. 4º Las que tengan cadenas secundarias con mayor número de átomos (más grandes). La NUMERACIÓN de la CADENA PRINCIPAL se iniciará por el extremo de la misma en el que los localizantes de las cadenas secundarias sean los más bajos posibles cuando se comparan término a término. Por ejemplo:

I) 2,3,4,5

II) 2,3,5,5

Puesto que 4 3 se numerará de izquierda a derecha. - Orden de los sustituyentes: Estos se nombrarán por orden alfabético de los sutituyentes: 4-etil-2-metil … Por lo tanto, el compuesto se nombraría: 4-etil-2-metil-hexano. Los radicales ramificados, son derivados de alcanos ramificados, que han perdido un átomo de hidrógeno de uno de sus átomos de carbono y se nombran de la misma forma que los radicales lineales, cambiando la terminación ano por la terminación ilo o il. Ejemplo 2º, nombrar el compuesto: CH 3  CH 2  5

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7

8

CH 3  CH 2  CH  C  CH 2  CH 2  CH  CH 3 / CH 3

 3 CH  CH 3 

4

 CH 3

CH  CH3

2

 1

CH 3

- Elección de la cadena principal: Vemos que la cadena horizontal tiene 8 átomos de carbono. Pero la parte derecha de la cadena horizontal, junto con la parte descendente más larga, forman otra cadena que también tiene 8 átomos de carbono y que, además, posee mayor número de ramificaciones, por lo tanto elegiremos ésta última como cadena principal. - Numeración:

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Si comenzamos a numerar desde el extremo vertical de la cadena y al llegar a su unión con la parte horizontal seguimos hacia la parte derecha, la numeración de los localizantes sería: 2,3,4,4,7. La otra posibilidad sería numerar exactamente a la inversa, con...