Tema 64

La química orgánica estudia los compuestos del carbono, y su enorme diversidad —millones de sustancias conocidas— se ordena gracias al concepto de grupo funcional: el átomo o conjunto de átomos que confiere a una molécula sus propiedades químicas características. Cuando ese grupo incorpora oxígeno o nitrógeno como heteroátomos, aparecen las funciones oxigenadas y nitrogenadas, que constituyen el núcleo de la química orgánica funcional y están presentes en la práctica totalidad de las biomoléculas (azúcares, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos) y de los productos industriales de origen orgánico.

Este tema se sitúa en el bloque de química del carbono del temario y desarrolla, para cada familia de compuestos, sus características, su nomenclatura sistemática (IUPAC), sus métodos de obtención y sus propiedades físicas y químicas. Se cierra con la comprobación experimental de sus propiedades en el laboratorio y con una panorámica de su importancia industrial. Conviene recordar que la frontera artificial entre lo “orgánico” y lo “inorgánico” se derrumbó en 1828, cuando Friedrich Wöhler sintetizó urea a partir de cianato de amonio, demostrando que los compuestos de los seres vivos obedecen a las mismas leyes que el resto de la materia.

1. Características generales de las funciones oxigenadas y nitrogenadas

Un grupo funcional determina la reactividad de la molécula con independencia, en gran medida, del tamaño de la cadena carbonada. Los compuestos que comparten grupo funcional forman una serie homóloga: sus términos difieren en un grupo $\mathrm{CH_2}$ (metileno) y presentan propiedades químicas análogas y una variación gradual de las físicas.

Las principales funciones oxigenadas son los alcoholes y fenoles ($\mathrm{R{-}OH}$), los éteres ($\mathrm{R{-}O{-}R'}$), los aldehídos ($\mathrm{R{-}CHO}$) y cetonas ($\mathrm{R{-}CO{-}R'}$), los ácidos carboxílicos ($\mathrm{R{-}COOH}$) y sus derivados —ésteres ($\mathrm{R{-}COO{-}R'}$), anhídridos, haluros de acilo y amidas—. Las funciones nitrogenadas más importantes son las aminas ($\mathrm{R{-}NH_2}$), las amidas ($\mathrm{R{-}CO{-}NH_2}$), los nitrilos ($\mathrm{R{-}C{\equiv}N}$) y los nitrocompuestos ($\mathrm{R{-}NO_2}$).

Dos rasgos electrónicos explican casi toda su química:

• Polaridad de enlace. El oxígeno ($\chi \approx 3{,}5$) y el nitrógeno ($\chi \approx 3{,}0$) son mucho más electronegativos que el carbono ($\chi \approx 2{,}5$), de modo que los enlaces $\mathrm{C{-}O}$, $\mathrm{C{=}O}$ y $\mathrm{C{-}N}$ están polarizados y generan centros con carga parcial que actúan como puntos de ataque nucleófilo o electrófilo.
• Enlace de hidrógeno. Cuando el heteroátomo lleva un hidrógeno unido ($\mathrm{O{-}H}$ o $\mathrm{N{-}H}$), la molécula establece enlaces de hidrógeno, lo que eleva notablemente los puntos de fusión y ebullición y la solubilidad en agua respecto a los hidrocarburos de masa molar semejante.

Otro concepto transversal es la isomería de función: dos compuestos con la misma fórmula molecular pero distinto grupo funcional. Así, $\mathrm{C_2H_6O}$ corresponde tanto al etanol (alcohol) como al dimetil éter; $\mathrm{C_3H_6O}$, al propanal (aldehído) y a la propanona (cetona); y $\mathrm{C_2H_4O_2}$, al ácido etanoico y al metanoato de metilo (éster).

Para nombrar moléculas polifuncionales, la IUPAC establece un orden de prioridad del grupo principal (expresado como sufijo); el resto de funciones se citan como prefijos. De mayor a menor prioridad, para las funciones de este tema:

Los éteres nunca son función principal: se nombran siempre como sustituyentes alcoxi- ($\mathrm{CH_3O{-}}$, metoxi-).

2. Funciones oxigenadas: nomenclatura, obtención y propiedades

Alcoholes y fenoles

Los alcoholes contienen el grupo hidroxilo $\mathrm{{-}OH}$ unido a un carbono $sp^3$; en los fenoles el $\mathrm{{-}OH}$ va unido directamente a un anillo aromático. Según el número de grupos $\mathrm{{-}OH}$ vecinos al carbono se clasifican en primarios, secundarios y terciarios, y según su número total, en monoles, dioles, trioles, etc.

Nomenclatura. Sufijo -ol con localizador: etanol ($\mathrm{CH_3CH_2OH}$), propan-2-ol, etano-1,2-diol (glicol) o propano-1,2,3-triol (glicerol).

Obtención.

• Hidratación de alquenos (regla de Markovnikov): $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3CH_2OH}$
• Reducción de aldehídos y cetonas (a alcoholes primarios y secundarios, respectivamente).
• Hidrólisis (sustitución nucleófila) de haluros de alquilo.
• Vía biológica: fermentación de azúcares por levaduras, $\mathrm{C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2\,CH_3CH_2OH + 2\,CO_2}$

Propiedades. El enlace de hidrógeno da lugar a puntos de ebullición elevados y a buena solubilidad en agua de los términos ligeros. Químicamente los alcoholes muestran carácter anfótero muy débil: son ácidos y bases extraordinariamente flojos ($\mathrm{p}K_a \approx 16$–$18$). Los fenoles, en cambio, son más ácidos ($\mathrm{p}K_a \approx 10$) porque el anión fenóxido se estabiliza por resonancia con el anillo. Sus reacciones típicas son:

• Deshidratación a alquenos (eliminación intramolecular con ácido y calor).
• Oxidación, muy diagnóstica: el alcohol primario se oxida a aldehído y luego a ácido; el secundario, a cetona; el terciario no se oxida en condiciones suaves por carecer de $\mathrm{H}$ sobre el carbono del hidroxilo: $\mathrm{CH_3CH_2OH \xrightarrow{[\mathrm{O}]} CH_3CHO \xrightarrow{[\mathrm{O}]} CH_3COOH}$
• Esterificación con ácidos carboxílicos.

Éteres

Los éteres ($\mathrm{R{-}O{-}R'}$) son isómeros de función de los alcoholes. Al carecer de $\mathrm{O{-}H}$ no forman enlaces de hidrógeno entre sí, por lo que hierven a temperaturas mucho más bajas que los alcoholes isómeros, próximas a las de los alcanos de masa semejante. Son poco reactivos y excelentes disolventes.

Nomenclatura. Como sustituyente alcoxi (metoximetano para $\mathrm{CH_3{-}O{-}CH_3}$) o con la nomenclatura clásica de radicales (dimetil éter).

Obtención. La síntesis de Williamson, sustitución nucleófila entre un alcóxido y un haluro de alquilo: $\mathrm{CH_3CH_2O^- + CH_3CH_2Br \rightarrow CH_3CH_2OCH_2CH_3 + Br^-}$

Aldehídos y cetonas

Ambas familias comparten el grupo carbonilo $\mathrm{C{=}O}$. En los aldehídos el carbonilo es terminal ($\mathrm{R{-}CHO}$); en las cetonas es interno ($\mathrm{R{-}CO{-}R'}$).

Nomenclatura. Sufijo -al para aldehídos (metanal, etanal, propanal) y -ona para cetonas (propanona o acetona, butan-2-ona).

Obtención. Fundamentalmente por oxidación controlada de alcoholes: los primarios dan aldehídos (deteniendo la oxidación) y los secundarios, cetonas.

Propiedades. El carbonilo es polar ($\mathrm{C}^{\delta+}{=}\mathrm{O}^{\delta-}$); no hay enlace de hidrógeno entre moléculas, pero sí con el agua, por lo que los términos ligeros son solubles. Su reacción característica es la adición nucleófila al carbono carbonílico. La gran diferencia práctica es que los aldehídos se oxidan con facilidad a ácidos (son reductores), mientras que las cetonas no se oxidan en condiciones suaves; en ello se basan los ensayos de Tollens y Fehling.

Ácidos carboxílicos y sus derivados

Los ácidos carboxílicos contienen el grupo carboxilo $\mathrm{{-}COOH}$ (carbonilo + hidroxilo).

Nomenclatura. Anteponiendo ácido y con sufijo -oico: ácido metanoico (fórmico), ácido etanoico (acético), ácido butanodioico.

Obtención. Por oxidación de alcoholes primarios y de aldehídos.

Propiedades. Son ácidos débiles pero mucho más fuertes que alcoholes y fenoles ($\mathrm{p}K_a \approx 4$–$5$), porque el anión carboxilato se estabiliza por resonancia entre los dos oxígenos, deslocalizando la carga: $\mathrm{R{-}COOH \rightleftharpoons R{-}COO^- + H^+}$ Forman dímeros por doble enlace de hidrógeno, lo que eleva mucho sus puntos de ebullición. Reaccionan con bases dando sales y con alcoholes dando ésteres. De ellos derivan cloruros de acilo, anhídridos, amidas y ésteres.

Los ésteres ($\mathrm{R{-}COO{-}R'}$) se obtienen por esterificación de Fischer, reacción de equilibrio catalizada por ácido: $\mathrm{CH_3COOH + CH_3CH_2OH \rightleftharpoons CH_3COOCH_2CH_3 + H_2O}$ Se nombran con sufijo -oato de -ilo (etanoato de etilo). Su hidrólisis básica —saponificación— es la base de la fabricación de jabones a partir de grasas (ésteres de glicerol y ácidos grasos): $\mathrm{R{-}COOR' + NaOH \rightarrow R{-}COONa + R'{-}OH}$

3. Funciones nitrogenadas: nomenclatura, obtención y propiedades

Aminas

Las aminas se consideran derivados del amoníaco por sustitución de sus hidrógenos por grupos orgánicos: primarias ($\mathrm{R{-}NH_2}$), secundarias ($\mathrm{R_2NH}$) y terciarias ($\mathrm{R_3N}$), además de los cationes amonio cuaternario ($\mathrm{R_4N^+}$).

Nomenclatura. Sufijo -amina (metanamina o metilamina, etanamina); las aromáticas conservan nombres tradicionales como la anilina.

Obtención. Por reducción de nitrocompuestos, nitrilos o amidas, y por alquilación del amoníaco (método de Hofmann).

Propiedades. Su rasgo definitorio es el carácter básico: el par de electrones no enlazante del nitrógeno capta protones, $\mathrm{R{-}NH_2 + H_2O \rightleftharpoons R{-}NH_3^+ + OH^-}$ Las aminas alifáticas son bases más fuertes que el amoníaco (ácido conjugado de $\mathrm{p}K_a \approx 10$–$11$); las aromáticas, como la anilina, son bases mucho más débiles porque el par del nitrógeno se deslocaliza en el anillo. Forman enlaces de hidrógeno más débiles que los alcoholes (el $\mathrm{N}$ es menos electronegativo que el $\mathrm{O}$), por lo que hierven a temperaturas intermedias. Muchas aminas presentan olores característicos e intensos (la putrescina y la cadaverina, diaminas, son responsables del olor de la descomposición).

Amidas

Las amidas ($\mathrm{R{-}CO{-}NH_2}$) resultan de combinar formalmente un grupo carbonilo y un grupo amino.

Nomenclatura. Sufijo -amida (etanamida o acetamida).

Obtención. Por reacción de ácidos carboxílicos con amoníaco o aminas (con calor), o —más eficazmente— a partir de cloruros de acilo: $\mathrm{R{-}COOH + NH_3 \xrightarrow{\Delta} R{-}CONH_2 + H_2O}$

Propiedades. A diferencia de las aminas, las amidas son prácticamente neutras: el par del nitrógeno se deslocaliza sobre el carbonilo por resonancia, restándole basicidad y confiriendo al enlace $\mathrm{C{-}N}$ carácter parcial de doble enlace (rigidez). Ese mismo enlace amida es el enlace peptídico que une los aminoácidos en las proteínas, de enorme relevancia biológica. Los fuertes enlaces de hidrógeno hacen que sean sólidas y de puntos de fusión altos.

Nitrilos y nitrocompuestos

Los nitrilos ($\mathrm{R{-}C{\equiv}N}$; sufijo -nitrilo) se obtienen por sustitución nucleófila de haluros con ion cianuro y son precursores versátiles: su hidrólisis conduce a ácidos carboxílicos y su reducción, a aminas: $\mathrm{R{-}C{\equiv}N + 2\,H_2O \rightarrow R{-}COOH + NH_3}$

Los nitrocompuestos ($\mathrm{R{-}NO_2}$; prefijo nitro-) son la base de muchos explosivos y precursores de aminas por reducción: $\mathrm{R{-}NO_2 + 3\,H_2 \xrightarrow{\text{cat.}} R{-}NH_2 + 2\,H_2O}$

Cuando en una misma molécula coexisten un grupo amino y un grupo carboxilo se tienen los aminoácidos, sillares de las proteínas, que se comportan como sustancias anfóteras y existen en disolución como iones dipolares (zwitteriones), $\mathrm{{}^+H_3N{-}CHR{-}COO^-}$.

4. Comprobación de sus principales propiedades en el laboratorio

El reconocimiento de grupos funcionales mediante ensayos por vía húmeda es un contenido experimental clásico y muy formativo. Los más habituales:

• Alcoholes. El ensayo de Lucas ($\mathrm{HCl}$ concentrado con $\mathrm{ZnCl_2}$) distingue por la rapidez de aparición de turbidez: inmediata en terciarios, en minutos en secundarios, sin reacción en frío en primarios. La oxidación con dicromato en medio ácido vira de naranja a verde ($\mathrm{Cr^{3+}}$) con primarios y secundarios, pero no con terciarios.
• Aldehídos frente a cetonas. El reactivo de Tollens (nitrato de plata amoniacal) forma un espejo de plata solo con aldehídos: $\mathrm{R{-}CHO + 2\,Ag(NH_3)_2^+ + 3\,OH^- \rightarrow R{-}COO^- + 2\,Ag\!\downarrow + 4\,NH_3 + 2\,H_2O}$ El licor de Fehling (o el reactivo de Benedict) da un precipitado rojizo de óxido de cobre(I) con aldehídos: $\mathrm{R{-}CHO + 2\,Cu^{2+} + 5\,OH^- \rightarrow R{-}COO^- + Cu_2O\!\downarrow + 3\,H_2O}$ La 2,4-dinitrofenilhidrazina (2,4-DNPH) precipita con todo grupo carbonilo (aldehídos y cetonas), y el ensayo del yodoformo identifica metilcetonas y etanol por el precipitado amarillo de $\mathrm{CHI_3}$.
• Ácidos carboxílicos. Enrojecen el papel indicador y liberan $\mathrm{CO_2}$ (efervescencia) al reaccionar con bicarbonato, lo que los distingue de fenoles y alcoholes: $\mathrm{CH_3COOH + NaHCO_3 \rightarrow CH_3COONa + H_2O + CO_2\!\uparrow}$
• Aminas. Su carácter básico azulea el papel de tornasol húmedo y forma sales solubles con ácidos; muchas se reconocen por su olor amoniacal o a pescado.

Todo trabajo de laboratorio debe respetar las normas de seguridad (uso de vitrina para disolventes volátiles e inflamables como el éter o la acetona, gafas y guantes) y la gestión de residuos en los contenedores adecuados.

5. Importancia industrial

Las funciones oxigenadas y nitrogenadas sostienen buena parte de la industria química:

• Alcoholes. El metanol es materia prima de síntesis y combustible; el etanol, disolvente, desinfectante y biocombustible; el etilenglicol, anticongelante y monómero del PET; el glicerol interviene en cosmética y farmacia.
• Aldehídos y cetonas. El metanal (formaldehído) se emplea en resinas y plásticos (baquelita, formica) y como desinfectante; la acetona es un disolvente universal.
• Ácidos y ésteres. El ácido acético es base de la industria del acetato y del vinagre; los ésteres aportan aromas y sabores (esencias), actúan como plastificantes y disolventes, y forman poliésteres como el PET; los ésteres de ácidos grasos son el punto de partida de jabones y biodiésel. El ácido acetilsalicílico (aspirina) es un éster de enorme uso farmacéutico.
• Aminas y amidas. La anilina es precursora de colorantes y fármacos; la urea, un fertilizante nitrogenado clave; el paracetamol es una amida analgésica. La policondensación de diaminas y diácidos produce las poliamidas (nailon), sintetizadas por primera vez por Wallace Carothers.
• Nitrocompuestos. El trinitrotolueno (TNT) y la nitroglicerina son explosivos de gran interés industrial y militar.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), la introducción a la química del carbono y a los principales grupos funcionales se aborda en 4.º de ESO, donde el alumnado reconoce hidrocarburos y las funciones oxigenadas y nitrogenadas más sencillas, y valora su presencia en biomoléculas y en la vida cotidiana. El desarrollo riguroso —nomenclatura completa, mecanismos y reactividad— corresponde a la materia de Química de 2.º de Bachillerato.

Es un contenido idóneo para desarrollar la competencia STEM y la competencia de indagación a través del trabajo experimental (ensayos de reconocimiento, esterificaciones sencillas, obtención de un jabón por saponificación), y para contextualizar el aprendizaje en torno a situaciones de aprendizaje significativas: medicamentos, alimentos, combustibles, materiales plásticos.

Conviene anticipar ideas previas y errores frecuentes: confundir la acidez de un ácido carboxílico con la del grupo $\mathrm{{-}OH}$ de un alcohol (creer que “todo $\mathrm{OH}$ es igual”); no distinguir isómeros de función con la misma fórmula molecular (etanol y dimetil éter); pensar que las cetonas se oxidan tan fácilmente como los aldehídos; o atribuir carácter básico a las amidas como si fueran aminas. La comparación sistemática de propiedades y el uso de modelos moleculares ayudan a corregir estas concepciones alternativas.

Conclusión

Las funciones oxigenadas y nitrogenadas organizan la inmensa variedad de la química del carbono en torno a un número reducido de grupos funcionales, cuyas propiedades quedan determinadas por dos factores electrónicos fundamentales: la polaridad de los enlaces con oxígeno y nitrógeno y la capacidad de formar enlaces de hidrógeno. A partir de ellos se comprenden la nomenclatura sistemática, las vías de obtención —muchas encadenadas entre sí, como la oxidación sucesiva alcohol → aldehído → ácido— y las reacciones características de cada familia. Su reconocimiento experimental en el laboratorio y su omnipresencia industrial y biológica —desde los combustibles y plásticos hasta las proteínas y los fármacos— hacen de este tema una pieza central de la química orgánica y un puente natural hacia el estudio de las biomoléculas y los polímeros.