Fundamentos de la estructura atómica y molecular del carbono

El carbono es el átomo central de la química orgánica debido a su capacidad única para formar múltiples enlaces covalentes; es además el átomo más pequeño con esta propiedad. Este comportamiento se explica a través de dos conceptos clave:

Hibridación de orbitales

La hibridación es un proceso de reordenamiento energético en el cual los orbitales atómicos puros (2s y 2p) se combinan para maximizar la simetría y estabilidad de la molécula.

• sp3: Ocurre cuando el orbital 2s se combina con los tres orbitales 2p, resultando en cuatro orbitales híbridos con geometría tetraédrica y ángulos de aproximadamente 109,5°. Es la base de los alcanos. En esta hibridación no quedan orbitales p puros.
• sp2: El orbital 2s se hibrida con dos orbitales 2p, generando tres orbitales híbridos en un plano trigonal (120°) y dejando un orbital p puro perpendicular al plano. Esta configuración permite la formación de enlaces dobles.
• sp: Se combina el orbital 2s con un solo orbital 2p, creando dos orbitales híbridos lineales (180°) y dejando dos orbitales p puros para formar enlaces triples.

Enlaces moleculares

Los enlaces se forman por el solapamiento de orbitales. Si las funciones de onda de los electrones se suman (interferencia constructiva, signos iguales), se crea un enlace estable de menor energía.

• Enlace sigma (σ): Es la compartición de dos electrones entre un par de átomos y se produce por el solapamiento entre orbitales a lo largo de la línea internuclear. Es el enlace más fuerte y permite la rotación libre de los átomos alrededor del eje que une los núcleos, sin alterar la estructura geométrica.
• Enlace pi (π): Es un enlace covalente formado entre orbitales p puros no hibridados. Es más débil que el σ porque su densidad electrónica está más alejada de los núcleos y no permite la rotación, lo que da origen a la isomería geométrica. En un enlace múltiple, el primer enlace es un σ y los restantes son enlaces π.

Familias de compuestos

Los compuestos orgánicos e inorgánicos se agrupan según su origen y características generales:

• Naturales (biosintetizados): La mayoría provienen de seres vivos. Ejemplos: carbohidratos (azúcares), lípidos (grasas), proteínas (poliamidas naturales) y ácidos nucleicos (ADN/ARN).
• Sintéticos (ex vivo): No provienen directamente de seres vivos; se obtienen principalmente a partir del petróleo y sus derivados, como plásticos, medicamentos y detergentes.

Diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos

Grupos funcionales

Grupos funcionales: Son átomos o grupos de átomos que definen el comportamiento químico de una molécula.

Los hidrocarburos y su reactividad

Los hidrocarburos son compuestos formados exclusivamente por carbono e hidrógeno; su fuente primordial es el petróleo. Se unen formando enlaces σ y π, y sus cadenas de carbono pueden ser lineales o ramificadas, y abiertas o cerradas.

Clasificación

Los hidrocarburos se clasifican en dos grandes ramas:

• Hidrocarburos acíclicos o alifáticos: Formados por cadenas abiertas de átomos de carbono.
• Hidrocarburos cíclicos: Formados por cadenas cerradas (anillos) de átomos de carbono.

Polimerización: Unión de múltiples moléculas pequeñas (monómeros) para formar cadenas largas denominadas polímeros (por ejemplo, plásticos como el polietileno).

Hidrocarburos acíclicos

• Alcanos (parafinas): Hidrocarburos saturados, porque contienen la máxima cantidad de átomos de hidrógeno para un número dado de átomos de carbono, con enlaces sencillos σ. Se les llama parafinas por su baja reactividad química.

Propiedades: Son no polares e insolubles en agua, pero son miscibles entre sí y se disuelven en otros hidrocarburos. Sus puntos de ebullición aumentan con la longitud de la cadena debido al incremento de las fuerzas de atracción intermoleculares. Los alcanos presentan en general puntos de ebullición relativamente bajos debido a lo débiles de sus fuerzas de atracción intermolecular. Tienen baja reactividad; se queman en presencia de oxígeno a altas temperaturas, y pueden sufrir halogenación y pirolisis.

Radicales alquilo: Se forman por la eliminación de uno de los hidrógenos en un alcano. Se cambia la terminación “-ano” por “-il”; si va precedido del artículo “un” se escribe “-ilo”. Para expresar la existencia de un grupo alquilo genérico se usa la letra “R”.

Fórmulas moleculares

• Condensada: Expresa el tipo y número de átomos de la molécula, pero no informa de los enlaces.
• Semidesarrollada: Expresa el tipo y número de átomos en la molécula y además los enlaces carbono-carbono que contienen.
• Desarrollada: Presenta el tipo y número de elementos en la molécula, así como todos los enlaces entre los distintos átomos (no solo los enlaces entre carbonos).

Clasificación de los carbonos en una cadena

• Primario: Átomo de carbono en un extremo de una cadena o unido a un solo carbono (y al resto hidrógenos).
• Secundario: Carbono unido a dos átomos de carbono.
• Terciario: Carbono unido a tres átomos de carbono.
• Cuaternario: Carbono unido a otros cuatro átomos de carbono.

Isómeros

Isómeros: A partir del butano, un alcano puede reacomodarse en diferentes formas estructurales, lo que produce cambios en sus propiedades. También se les llama isómeros estructurales: tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructura.

Isomería cis-trans

Debido a que el doble enlace impide la rotación, los sustituyentes pueden quedar del mismo lado (cis) o en lados opuestos (trans), generando compuestos con propiedades distintas. Solo puede haber isomería cis-trans cuando los elementos unidos a un mismo carbono del doble enlace son diferentes.

Regla de Markovnikov

En reacciones de adición de reactivos asimétricos, el hidrógeno se une al carbono que ya tiene más hidrógenos.

Dienos

Los dienos son alquenos que contienen dos dobles enlaces C=C:

• Conjugados: Sus dobles enlaces están separados por un enlace sencillo (por ejemplo: CH2=CH–CH=CH2).
• Aislados: Están separados por dos o más enlaces sencillos (por ejemplo: CH2=CH–CH2–CH=CH2); al estar tan separados, actúan como dobles enlaces independientes.
• Acumulados: Sus dobles enlaces no están separados (por ejemplo: CH2=C=CH2); esto les confiere mayor inestabilidad y menor vida media.

1. Reacciones de los alcanos (parafinas)

Aunque son químicamente poco reactivos en condiciones moderadas, bajo condiciones especiales (como alta temperatura o luz) presentan las siguientes reacciones:

Combustión

Reaccionan con el oxígeno del aire desprendiendo dióxido de carbono y agua y liberando abundante calor, lo que los convierte en excelentes combustibles.

Halogenación

Es una reacción de sustitución donde átomos de hidrógeno son reemplazados por halógenos como cloro o bromo. Casi no ocurre con yodo, ya que es poco reactivo. Es una reacción fotoquímica que requiere luz o temperaturas altas.

Nitración

Se sustituye un hidrógeno por el grupo nitro (−NO2) al reaccionar con ácido nítrico concentrado a altas temperaturas (420–475 °C) en presencia de ácido sulfúrico.

Ciclación (reformación catalítica)

Los alcanos de 6 a 10 carbonos pueden deshidrogenarse en presencia de catalizadores (por ejemplo, platino) y a temperaturas altas (500–700 °C) para formar hidrocarburos aromáticos. Este proceso se usa para elevar el octanaje de las gasolinas.

Pirólisis o cracking

Es la descomposición de alcanos pesados por la acción del calor para producir alcanos más pequeños, alquenos e hidrógeno. En presencia de catalizadores como alúmina o sílice y a temperaturas altas (400–500 °C) se favorece la producción de gasolinas de mayor octanaje en procesos de cracking catalítico.

Reacciones de los alquenos (olefinas)

Los alquenos se caracterizan por una elevada reactividad debido a que el enlace π es más débil que el enlace σ, y por tanto se rompe con mayor facilidad en reacciones de adición.

Hidrogenación

Adición de hidrógeno en presencia de catalizadores (platino, paladio o níquel) para convertirse en alcanos.

Octanaje

¿Qué es?

El octanaje es la resistencia que tiene una gasolina a la autoignición o detonación durante la compresión en el motor.

¿Qué produce un bajo octanaje?

Que la gasolina esté formada principalmente por alcanos de cadena lineal, lo que provoca una velocidad de combustión muy elevada y, al ser comprimida, tiende a presentar autoignición o detonación.

Opciones para elevar el octanaje:

Aplicar tratamientos y aditivos como el MTBE (metil-terbutil éter); mezclar con gasolinas reformadas de muy alto índice de octano obtenidas en procesos de ciclación o reformación catalítica con platino; o mediante el cracking catalítico en presencia de catalizadores de alúmina y sílice a temperaturas entre 400 y 500 °C.

Detalles sobre la hibridación sp3

En la hibridación sp3, el orbital 2s se combina con los orbitales 2p (2px, 2py y 2pz), dando cuatro orbitales híbridos sp3 orientados hacia los vértices de un tetraedro y separados por ángulos de aproximadamente 109° 28′ (109,5°), cada uno con un electrón.

Formación de enlaces sigma y pi

Sigma (σ): Se forma por el solapamiento entre orbitales: s–s, s–sp, s–sp2, s–sp3, sp–sp, sp2–sp2, sp3–sp3, etc.

Pi (π): Se forma cuando los electrones no apareados de orbitales p de dos átomos vecinos se solapan lateralmente, originando un par de electrones compartidos y dando lugar al enlace π.

Procedimiento de la reacción de adición mediada por radicales libres

El mecanismo de adición radicalaria (ejemplo: adición de HBr a un alqueno en presencia de peróxidos) puede describirse en tres etapas:

• Iniciación: El peróxido, por efecto del calor o de luz UV, se disocia en dos radicales libres alcoxi altamente reactivos. Estos radicales pueden reaccionar con el bromuro de hidrógeno (HBr), que es una molécula estable, extrayendo su átomo de hidrógeno para formarse alcoholes estables y, a su vez, generando radicales bromuro (Br•) altamente reactivos.
• Propagación: Los radicales bromuro rompen el enlace π del alqueno, uniéndose al carbono del doble enlace que tiene el mayor número de hidrógenos (regla preferente en algunos mecanismos radicalarios), formando un enlace σ estable con ese carbono y convirtiendo al otro carbono del doble enlace en un radical. El radical formado reacciona con una molécula de HBr estable, extrayendo un hidrógeno y convirtiéndose en un alcano bromado estable, mientras se regenera un radical bromuro (Br•). Este radical continúa el ciclo de propagación hasta consumir las moléculas de alqueno o de HBr presentes.
• Terminación: Dos radicales se combinan entre sí para formar una molécula estable, terminando la reacción radicalaria.

Este procedimiento explica cómo, mediante radicales libres, se lleva a cabo la adición anti-Markovnikov de HBr en presencia de peróxidos, debido a que la secuencia de pasos radicalarios favorece la formación del radical más estable durante la propagación.