EL ÁTOMO DE CARBONO

CARACTERÍSTICAS

El carbono tiene un número atómico 6 y número de masa 12; en su núcleo tiene 6 protones y 6 neutrones y está rodeado por 6 electrones, distribuidos de la siguiente manera:

• Dos en el nivel 1s                  Dos en el nivel 2s            Dos en el nivel 2p

HIBRIDACIONES DEL CARBONO

La hibridación consiste en una mezcla de orbitales puros en un estado excitado para formar orbitales híbridos equivalentes con orientaciones determinadas en el espacio.

ESTADO BASAL Y ESTADO EXCITADO

Su configuración electrónica en su estado natural es:

• 1s² 2s² 2px¹ 2py¹ 2pz (estado basal). 

Se ha observado que en los compuestos orgánicos el carbono es tetravalente, es decir, que puede formar 4 enlaces.

Cuando este átomo recibe una excitación externa, uno de los electrones del orbital 2s se excita al orbital 2pz, y se obtiene un estado excitado del átomo de carbono:

• 1s² 2s¹ 2px¹ 2py¹ 2pz¹ (estado excitado). 

HIBRIDACIÓN SP³ (ENLACE SIMPLE C-C)

Cuatro orbitales sp³.

En seguida, se hibrida el orbital 2s con los 3 orbitales 2p para formar 4 nuevos orbitales híbridos que se orientan en el espacio formando entre ellos, ángulos de separación 109.5°. Esta nueva configuración del carbono hibridado se representa así:

• 1s² (2sp³)¹ (2sp³)¹ (2sp³)¹ (2sp³)¹.

A cada uno de estos nuevos orbitales se los denomina sp³, porque tienen un 25% de carácter S y 75% de carácter P. Esta nueva configuración se llama átomo de carbono híbrido, y al proceso de transformación se llama hibridación.

De esta manera, cada uno de los cuatro orbitales híbridos sp³ del carbono puede enlazarse a otro átomo, es decir que el carbono podrá enlazarse a otros 4 átomos, así se explica la tetra valencia del átomo de carbono.

Debido a su condición híbrida, y por disponer de 4 electrones de valencia para formar enlaces covalentes sencillos, pueden formar entre sí cadenas con una variedad ilimitada entre ellas: cadenas lineales, ramificadas, anillos, etc. A los enlaces sencillos –C-C- se los conoce como enlaces sigma.

La molecular característica para este tipo de enlace es el metano   CH4

HIBRIDACIÓN SP² (ENLACE DOBLE C=C)

Configuración de los orbitales sp².

Los átomos de carbono también pueden formar entre sí enlaces dobles y triples, denominados instauraciones. En los enlaces dobles, la hibridación ocurre entre el orbital 2s y dos orbitales 2p, y queda un orbital p sin hibridar. A esta nueva estructura se la representa como:

• 1s² (2sp²)¹ (2sp²)¹ (2sp²)¹ 2pz¹ 

Al formarse el enlace doble entre dos átomos, cada uno orienta sus tres orbitales híbridos con un ángulo de 120°, como si los dirigieran hacia los vértices de un triángulo equilátero. El orbital no hibridado queda perpendicular al plano de los 3 orbitales sp².

A este doble enlace se lo denomina π (pi), y la separación entre los carbonos se acorta. Este enlace es más débil que el enlace σ (sigma) y, por tanto, más reactivo.

Este tipo de enlace da lugar a la serie de los alquenos. La molécula característica para este tipo de enlace es el eteno o etileno CH2 = CH2

HIBRIDACIÓN SP (ENLACE TRIPLE C≡C)

El segundo tipo de instauración es el enlace triple: el carbono hibrida su orbital 2s con un orbital 2p. Los dos orbitales p restantes no se hibridan, y su configuración queda:

• 1s² (2sp)¹ (2sp)¹ 2py¹ 2pz¹ 

Al formarse el enlace entre dos carbonos, cada uno traslada uno de sus 2 orbitales sp para formar un enlace sigma entre ellos; los dos orbitales p sin hibridar de cada átomo se traslapan formando los dos enlaces (π) restantes de la triple ligadura, y al final el último orbital sp queda con su electrón disponible para formar otro enlace.

A los dos últimos enlaces que formaron la triple ligadura también se los denomina enlaces pi(π), y todo este conjunto queda con ángulos de 180° entre el triple enlace y el orbital sp de cada átomo de carbono, es decir, adquiere una estructura lineal.

La distancia entre estos átomos se acorta más, por lo que es incluso más reactivo que el doble enlace. La molécula característica para este tipo de enlace es el etino.   CH  =  CH

CADENA CARBONADA

ISOMERÍA

La isomería es el fenómeno mediante el cual dos o más compuestos diferentes se representan por medio de fórmulas moleculares idénticas. Las moléculas isómeras poseen diferentes propiedades físicas y químicas, y estas diferencias se atribuyeron a la existencia de fórmulas moleculares distintas. Los compuestos que poseen la misma fórmula molecular, pero diferentes fórmulas estructurales, reciben el nombre de isómeros (del griego, iso, igual; meros, parte)

CLASIFICACIÓN DE LOS ISÓMEROS EN QUÍMICA ORGÁNICA.

Aunque este fenómeno es muy frecuente en Química orgánica, no es exclusiva de ésta pues también la presentan algunos compuestos inorgánicos, como los compuestos de los metales de transición.

ISOMERÍA EN QUÍMICA ORGÁNICA 

Hay dos tipos básicos de isomería: plana y espacial.

ISOMERÍA PLANA O ESTRUCTURAL 

En la isomería plana o estructural las diferencias se ponen de manifiesto al representar el compuesto en el plano.

Varía la disposición de los átomos de C en la cadena o esqueleto carbonado, es decir la estructura de éste, que puede ser lineal o tener distintas ramificaciones.

Así, el C4H10 corresponde tanto al butano como al metilpropano (isobutano ó ter-butano).

ISOMERÍA DE POSICIÓN 

La presentan aquellos compuestos que poseen el mismo esqueleto carbonado pero en los que el grupo funcional o el sustituyente ocupa diferente posición.

El C4H10O puede corresponder a dos sustancias isómeras que se diferencian en la posición del grupo OH:

ISOMERÍA DE GRUPO FUNCIONAL

Varía el grupo funcional, conservando el esqueleto carbonado.  El C3H6O puede corresponder a:

Esta isomería la presentan ciertos grupos de compuestos relacionados como: los alcoholes y éteres, los ácidos y esteres, y también los aldehídos y cetonas

ISOMERÍA ESPACIAL O ESTEREOISOMERIA

Presentan estereoisometría aquellos compuestos que tienen fórmulas moleculares idénticas y sus átomos presentan la misma distribución (la misma forma de la cadena; los mismos grupos funcionales y sustituyentes; situados en la misma posición), pero su disposición en el espacio es distinta.

Los isómeros tienen igual forma en el plano. Es necesario representarlos en el espacio para visualizar las diferencias. Puede ser de dos tipos: isomería conformacional e isomería configuracional, según que los isómeros se puedan convertir uno en otro por simple rotación de enlaces simples, o no.

ISOMERÍA CONFORMACIONAL 

Distintas conformaciones del etano según la rotación en torno al eje que forman los dos átomos de carbono. Se observan formas eclipsadas o formas escalonadas.

Proyecciones de Newmann para la molécula de etano. Formas eclipsada y alternada

En este tipo de isómeros conformacionales o confórmeros, la conversión de una forma en otra es posible pues la rotación en torno al eje de los átomos de carbono es más o menos libre (ver animación a la derecha). Por eso también reciben el nombre de rotámeros. Si los grupos son voluminosos podría haber impedimento estérico y no ser tan fácil la interconversión entre rotámeros.

Estas formas se reconocen bien si utilizamos la proyección de Newman, como se aprecia en los dibujos de la izquierda. Reciben nombres como sinclinal (a veces, Gauche), anticlinal (anti o trans), sinperiplanar y antiperiplanar.3

Otro tipo de isómeros conformacionales se da en compuestos con ciclos hexagonales, como el ciclo hexano, donde son factibles la conformación en forma de silla y conformación en forma de bote.

ISOMERÍA CONFIGURACIONAL 

No basta una simple rotación para convertir una forma en otra y aunque la disposición espacial es la misma, los isómeros no son interconvertibles. Se divide en: isomería geométrica o cis-trans, e isomería óptica

ISOMERÍA GEOMÉTRICA O CIS-TRANS

Formas cis y trans en compuestos con doble enlace C=C, o con doble enlace N=N:

• forma cis (o forma Z), con los dos sustituyentes más voluminosos del mismo lado, y
• forma trans (o forma E), con los dos sustituyentes más voluminosos en posiciones opuestas.

No se pueden interconvertir entre sí estas dos formas de un modo espontáneo, pues el doble enlace impide la rotación, aunque sí pueden convertirse a veces, en reacciones catalizadas.

La isomería geométrica también se presenta en compuestos con doble enlace N=N, o en compuestos cíclicos en los que también se impide la rotación en torno a un eje.

ISOMERÍA ÓPTICA O ENANTIOMERÍA

Dos enantiómeros de un aminoácido genérico

Cuando un compuesto tiene al menos un átomo de Carbono asimétrico o quiral, es decir, un átomo de carbono con cuatro sustituyentes diferentes, pueden formarse dos variedades distintas llamadas estereoisómeros ópticos, enantiómeros, formas enantiomórficas o formas quirales, aunque todos los átomos están en la misma posición y enlazados de igual manera. Esto se conoce como regla de Level y Van't Hoff.1

Los isómeros ópticos no se pueden superponer y uno es como la imagen especular del otro, como ocurre con las manos derechas e izquierda. Presentan las mismas propiedades físicas y químicas pero se diferencian en que desvían el plano de la luz polarizada en diferente dirección: uno hacia la derecha (en orientación con las manecillas del reloj) y se representa con la letra (D) o el signo (+)(isómero dextrógiro o forma dextro) y otro a la izquierda (en orientación contraria con las manecillas del reloj)y se representa con la letra (L) o el signo (-)(isómero levógiro o forma levo).

Formas R y S del bromoclorofluorometano.

Si una molécula tiene n átomos de Carbono asimétricos, tendrá un total de 2n isómeros ópticos.

También pueden representarse estos isómeros con las letras (R) y (S). Esta nomenclatura se utiliza para determinar la configuración absoluta de los carbonos quirales.

Así pues, hay tres sistemas de nombrar estos compuestos: según la dirección de desviación del plano de la luz polarizada (Formas + y -); según la configuración (Formas D y L) y según la configuración absoluta (formas R y S).

DEFINICIÓN DE DIASTEREOISÓMEROS

Son moléculas que se diferencian por la disposición espacial de los grupos, pero que no son imágenes especulares. Un tipo de diastereoisómeros son los isómeros geométricos (alquenos cis y trans). Para que dos moléculas sean diastereoisómeros es necesario que al menos tengan dos centros quirales. En uno de los centros los sustituyentes están dispuestos igual en ambas moléculas y en el otro deben cambiar.

Pareja de diastereoisómeros