domingo, 13 de agosto de 2017

1 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ALCOHOLES


En este capítulo, estudiamos las propiedades físicas y químicas de los alcoholes, una clase de compuestos que contienen el grupo -OH (hidroxilo). El etanol, el alcohol más conocido, es el aditivo en la mezcla de combustible conocido como E85, el alcohol en bebidas alcohólicas, y un solvente industrial importante. Los alcoholes son importantes porque pueden ser convertidos en muchos otros tipos de compuestos, incluyendo alquenos, haloalcanos, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres. No sólo se pueden convertir alcoholes en estos compuestos, sino que estos compuestos también pueden convertirse en alcoholes. Así, los alcoholes desempeñan un papel central en la interconversión de grupos orgánicos funcionales. Los grupos hidroxilo se encuentran en los carbohidratos y ciertos aminoácidos. A continuación se presentan dos representaciones de la glucosa, el compuesto orgánico más abundante en la naturaleza. A la izquierda está una proyección de Fischer que muestra la configuración de todos los centros quirales. A la derecha hay una estructura cíclica, la forma predominante en la que esta molécula existe tanto en forma sólida como en solución. El aminoácido l-serina es uno de los 20 bloques de construcción de aminoácidos de las proteínas.


1.1 Estructura de los alcoholes

El grupo funcional de un alcohol es un grupo -OH (hidroxilo) unido a un carbono hibridado sp3, en la nomenclatura se citará como el grupo –ol. El átomo de oxígeno de un alcohol también en una hibridación sp3. Dos orbitales híbridos sp3 de oxígeno forman enlaces a átomos de carbono e hidrógeno, y los dos orbitales híbridos sp3 restantes contienen cada uno un par de electrones no compartidos. El ángulo de unión C-O-H medido en metanol es de 108,9 °, muy próximo al ángulo perfectamente tetraédrico ideal de 109,5 °.

1.2 Propiedades físicas de los alcoholes

Debido a la presencia del grupo -OH polar, los alcoholes son compuestos polares, con cargas positivas parciales sobre carbono e hidrógeno y una carga negativa parcial sobre el oxígeno. La atracción entre el extremo positivo de un dipolo y el extremo negativo de otro se llama interacción dipolo-dipolo. Cuando el extremo positivo de uno de los dipolos es un átomo de hidrógeno unido a O o N (átomos de alta electronegatividad) y el extremo negativo del otro dipolo es un átomo de O o N, la interacción atractiva entre dipolos es particularmente fuerte y se le da el nombre especial del enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno. La longitud de un enlace de hidrógeno en agua es 177 pm, aproximadamente 80% más larga que un enlace covalente O-H. La resistencia de un enlace de hidrógeno en agua es de aproximadamente 21 kJ (5 kcal) / mol. Para la comparación, la resistencia del enlace covalente O--H en agua es de aproximadamente 498 kJ (118 kcal) / mol. Como puede verse comparando estos números, un enlace de hidrógeno O-H es considerablemente más débil que un enlace covalente O–H. Sin embargo, la presencia de un gran número de enlaces de hidrógeno en agua líquida tiene un importante efecto acumulativo sobre las propiedades físicas del agua. Debido al enlace de hidrógeno, se requiere energía extra para separar cada molécula de agua de sus vecinos, de ahí el punto de ebullición relativamente alto del agua.

De forma similar, existe una amplia unión de hidrógeno entre moléculas de alcohol en el líquido puro. La figura siguiente muestra la asociación de moléculas de etanol por enlace de hidrógeno entre el átomo de oxígeno parcialmente negativo de una molécula de etanol y el átomo de hidrógeno parcialmente positivo de otra molécula de etanol. La tabla anterior enumera los puntos de ebullición y las solubilidades en agua para varios grupos de alcoholes e hidrocarburos de peso molecular similar. De los compuestos comparados en cada grupo, los alcoholes tienen los puntos de ebullición más altos debido a que se necesita más energía para superar las fuerzas de atracción de enlaces de hidrógeno entre sus grupos OH polares. La presencia de grupos hidroxilo adicionales en una molécula aumenta adicionalmente el grado de enlace de hidrógeno, como puede verse comparando los puntos de ebullición de hexano (69 ° C), 1-pentanol (38 ° C) y 1,4- Butanodiol (230 ° C), todos los cuales tienen aproximadamente el mismo peso molecular. Debido a las mayores fuerzas de dispersión entre moléculas más grandes, los puntos de ebullición de todos los tipos de compuestos, incluyendo alcoholes, aumentan con el aumento del peso molecular. Comparar, por ejemplo, los puntos de ebullición de etanol (p.e. 78 ° C), 1-propanol (pb 97 ° C), 1-butanol (pb 117 ° C) y 1-pentanol (pb 138 ° C).

El efecto de la unión de hidrógeno en alcoholes se ilustra dramáticamente comparando los puntos de ebullición de etanol (pb 78 ° C) y su isómero constitucional dimetil éter (224 ° C). La diferencia en el punto de ebullición entre estos dos compuestos es causada por la presencia de un grupo polar OH en el alcohol, que es capaz de formar enlaces intermoleculares de hidrógeno. Este enlace de hidrógeno aumenta las fuerzas atractivas entre moléculas de etanol; Por lo tanto, el etanol tiene un punto de ebullición más alto que el éter dimetílico.  Debido a que los alcoholes pueden interactuar por enlaces de hidrógeno con agua, son más solubles en agua que alcanos y alquenos de peso molecular comparable. El metanol, el etanol y el 1-propanol son solubles en agua en todas las proporciones. A medida que aumenta el peso molecular, las propiedades físicas de los alcoholes se vuelven más parecidas a las de los hidrocarburos de peso molecular comparable. Los alcoholes de alto peso molecular son mucho menos solubles en agua debido al aumento de tamaño de la porción hidrocarbonada de sus moléculas. Esto puede evitarse si se incrementa la cantidad de grupos hidroxilo a lo largo de la cadena, lo cual mantiene la alta solubilidad de la molécula sin importar su tamaño.

1.3 La importancia del puente de hidrógeno en los medicamentos

Los enlaces de hidrógeno tienen direccionalidad en que los grupos donador y aceptor deben estar orientados apropiadamente entre sí para que se produzca la unión de hidrógeno. Importantes donantes de enlaces de hidrógeno en moléculas biológicas incluyen grupos -OH (proteínas, carbohidratos) y grupos -NH (proteínas, ácidos nucleicos). Los aceptores de enlaces de hidrógeno importantes son cualquier N u O con un par solitario de electrones “que sean negativos”, tales como grupos C=O (proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos), grupos -OH (proteínas, carbohidratos) y grupos COO2 (proteínas).

Con la direccionalidad viene el potencial de los enlaces de hidrógeno para organizar las moléculas en muchos niveles que van desde el plegamiento de las moléculas biológicas a la unión específica y el reconocimiento entre un medicamento y su receptor. El medicamento atorvastatina (Lipitor) se usa para tratar el colesterol alto. El colesterol se sintetiza en el hígado del grupo acetil coenzima A (acetil-CoA) de dos carbonos. Un intermediario clave en la secuencia de reacciones que conduce a la síntesis de colesterol es una molécula de seis carbonos denominada mevalonato. La atorvastatina se une y bloquea específicamente la acción de HMGCoA reductasa, una enzima clave en la biosíntesis de mevalonato. La atorvastatina se une a esta enzima en preferencia al gran número de otros dianas enzimáticos potenciales porque (1) el fármaco tiene una forma complementaria a la cavidad catalítica (el sitio activo) de la HMG-CoA reductasa (Figura 1) y (2) puede Forman al menos nueve enlaces de hidrógeno específicos con grupos funcionales en el sitio activo de la enzima (Figura 2). 

La forma complementaria y el patrón de enlace de hidrógeno aseguran que la atorvastatina se une a la HMG-CoA reductasa e inhibe su capacidad para catalizar la formación de mevalonato. El sello distintivo de este y otros fármacos eficaces es su capacidad para unirse fuertemente con sus moléculas objetivo deseadas, mientras que al mismo tiempo no interactúa con otras moléculas que podrían conducir a efectos secundarios no deseados. A esta clase de uniones se las denomina unión llave-cerradura muy común en casi todas las reacciones biológicas.

1.4 Tipos de alcoholes

Los alcoholes se clasifican en diferentes tipos dependiendo de cómo se coloque el grupo -OH en la cadena de átomos de carbono. Hay algunas diferencias químicas entre los varios tipos.

1.4.1 Alcoholes primarios

En un alcohol primario, el carbono que lleva el grupo -OH está unido solamente a un grupo alquilo. Observe que no importa cuán complicado sea el grupo alquilo unido. En cada caso, sólo hay un enlace a un grupo alquilo del grupo CH2 que contiene el grupo -OH. Hay una excepción a esto. El metanol, CH3OH, se cuenta como un alcohol primario incluso aunque no haya grupos alquilo unidos al carbono con el grupo -OH sobre el mismo.
En palabras más sencillas los alcoholes primarios son sustituyentes de un hidrógeno en lo que sería un carbono primario, de lo cual se extiende que son grupos hidroxilo que se encuentran en las puntas terminales de una estructura orgánica.

1.4.2 Alcoholes secundarios

En un alcohol secundario, el carbono con el grupo -OH unido está unido directamente a dos grupos alquilo, que pueden ser iguales o diferentes.
En palabras sencillas un alcohol secundario resulta de sustituir un hidrógeno de un carbono secundario.

1.4.3 Alcoholes terciarios

En un alcohol terciario, el átomo de carbono que contiene el grupo -OH está unido directamente a tres grupos alquilo, que pueden ser cualquier combinación de los mismos o diferentes.

Los alcoholes terciarios surgen al reemplazar el último hidrógeno de un carbono terciario. Los alcoholes terciarios tienden a ser menos reactivos, en especial para las oxidaciones parciales ya que no se oxidan a aldehidos o ácidos carboxílicos, mientras que los mas reactivos son los alcoholes primarios.

1.5 Espectrometria de infrarojo

El enlace O-H en un alcohol se absorbe a un número de onda mayor que en un ácido - algo entre 3230 - 3550 cm-1. De hecho, esta absorción estaría en un número aún mayor si el alcohol no está unido a hidrógeno, por ejemplo, en el estado de gas. Todos los espectros de infrarrojos en esta página son de líquidos - por lo que la posibilidad nunca se aplicará. Obsérvese la absorción debida a los enlaces C-H por debajo de 3000 cm-1 y también a los canales entre 1000 y 1100 cm-1, uno de los cuales se debe al enlace C-O.

Referencias de libros

(Brown, Iverson, Anslyn, Foote, & Novak, 2018; W. H. Brown & Poon, 2014; Bruice, 2011, 2014a, 2014b, 2016; Carey & Giuliano, 2011; Clayden, Greeves, & Warren, 2012; Favre & Powell, 2013; Klein, 2015; McMurry, Castellion, & Ballantine, 2007; McMurry, 2012; Ouellette & Rawn, 2015; Solomons, Fryhle, & Snyder, 2014; Solomons & Fryhle, 2000, 2004, 2007, 2011; Vollhardt & Schore, 2014; Wade, 2009, 2013)


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