Química del Carbono: Hibridación, Enlaces, Isomería y Reacciones Fundamentales

Hibridación del Carbono y Formación de Enlaces

Promoción Electrónica e Hibridación

La proximidad energética entre el orbital atómico 2s del carbono, que está completo, y uno de los orbitales 2p vacío, posibilita que mediante un pequeño aporte de energía externa, un electrón del orbital 2s pueda ser promocionado a este orbital 2p. Posteriormente, al formarse los enlaces, esta energía invertida se verá compensada con creces. El proceso sería el siguiente: el átomo de carbono pasa de tener una configuración electrónica basal ([He] 2s² 2p²) a una configuración excitada ([He] 2s¹ 2p³).

De esta forma, el átomo de carbono dispone de 4 electrones desapareados, lo que le permite formar 4 enlaces covalentes. Sin embargo, este hecho por sí solo aún no explica satisfactoriamente la geometría y equivalencia de los enlaces en muchas moléculas. Por ejemplo, en la molécula de metano (CH₄), los cuatro enlaces C-H son idénticos en longitud y energía, y los ángulos de enlace H-C-H son todos de 109.5°. Si el carbono utilizara un orbital 2s y tres orbitales 2p puros para enlazar, se esperaría un enlace diferente (formado por el orbital 2s) y tres enlaces iguales entre sí pero distintos al primero (formados por los orbitales 2p). Además, los ángulos de enlace entre los orbitales p puros son de 90°, lo cual no concuerda con los valores experimentales.

Por todo ello, es necesario recurrir a la teoría de la hibridación de orbitales atómicos. En el caso del carbono, son posibles tres tipos principales de hibridación, según se combine el orbital 2s con tres, dos o un orbital 2p, dando lugar, respectivamente, a hibridaciones sp³, sp² y sp.

Tipos de Hibridación del Carbono

Hibridación sp³

Ocurre cuando el carbono forma cuatro enlaces covalentes sencillos (enlaces σ), como en los enlaces C-C y C-H. Se combinan el orbital 2s y los tres orbitales 2p para formar cuatro orbitales híbridos sp³ idénticos. Estos orbitales híbridos sp³ están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular, formando ángulos de 109.5° (o 109°28’) entre sí. Esto confiere a las moléculas una geometría tridimensional. Ejemplos: metano (CH₄), etano (C₂H₆).

Hibridación sp²

Se presenta cuando el carbono forma un doble enlace (compuesto por un enlace σ y un enlace π), como en los enlaces C=C (alquenos) o C=O (aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, etc.). Se combinan el orbital 2s y dos orbitales 2p, formando tres orbitales híbridos sp² idénticos. Estos tres orbitales sp² se disponen en un mismo plano, con ángulos de 120° entre ellos (geometría trigonal plana). El orbital 2p que no participa en la hibridación (orbital p puro) queda perpendicular a este plano.

El doble enlace C=C es el resultado de:

• Un enlace σ, formado por el solapamiento frontal de dos orbitales sp² (uno de cada átomo de carbono).
• Un enlace π, formado por el solapamiento lateral de los dos orbitales atómicos 2p puros no hibridados (uno de cada átomo de carbono), situados por encima y por debajo del plano de los orbitales sp².

La molécula de eteno (C₂H₄) es un ejemplo característico de esta hibridación.

Hibridación sp

Característica de carbonos que forman un triple enlace (compuesto por un enlace σ y dos enlaces π), como en C≡C (alquinos) o C≡N (nitrilos), o dos dobles enlaces acumulados (alenos). Se combina el orbital 2s con un orbital 2p, originando dos orbitales híbridos sp idénticos. Estos dos orbitales sp se disponen colinealmente, formando un ángulo de 180° (geometría lineal). Los dos orbitales 2p que no participan en la hibridación quedan puros y son perpendiculares entre sí y al eje de los orbitales sp.

El triple enlace C≡C es el resultado de:

• Un enlace σ, formado por el solapamiento frontal de dos orbitales sp (uno de cada átomo de carbono).
• Dos enlaces π, que aparecen al solapar lateralmente los dos pares de orbitales atómicos 2p puros no hibridados (un par de cada átomo de carbono). Estos dos enlaces π son perpendiculares entre sí.

Un ejemplo característico es la molécula de etino (C₂H₂).

Grupos Funcionales y Series Homólogas

Un grupo funcional es una agrupación específica de átomos dentro de una molécula orgánica que es responsable de la reactividad química característica de dicha molécula y le confiere propiedades físicas y químicas particulares. Ejemplos: grupo hidroxilo (-OH) en alcoholes, grupo carbonilo (C=O) en cetonas y aldehídos.

Una serie homóloga es un conjunto de compuestos orgánicos que poseen el mismo grupo funcional y, por lo tanto, propiedades químicas similares, y cuyos miembros sucesivos difieren en un grupo metileno (-CH₂-).

Isomería en Compuestos Orgánicos

La isomería se presenta cuando dos o más sustancias diferentes tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructura o disposición espacial de los átomos, lo que les confiere propiedades físicas y/o químicas distintas.

Isomería Plana o Estructural

Los isómeros estructurales difieren en la forma en que los átomos están conectados entre sí (su conectividad).

• De Cadena: Los isómeros tienen el mismo grupo funcional pero difieren en la disposición de la cadena carbonada (ej. lineal frente a ramificada).
• De Posición: Los isómeros tienen la misma cadena carbonada y el mismo grupo funcional, pero este último (o una insaturación) ocupa una posición diferente en la cadena.
• De Función: Los isómeros tienen distintos grupos funcionales, a pesar de tener la misma fórmula molecular (ej. un alcohol y un éter).

Estereoisomería

Los estereoisómeros tienen la misma fórmula molecular y la misma secuencia de átomos enlazados (misma estructura plana), pero difieren en la orientación tridimensional de sus átomos en el espacio.

• Geométrica (Cis-Trans o E/Z): Se presenta en compuestos con dobles enlaces (o en ciclos) que tienen restringida la libre rotación, y donde cada carbono del doble enlace (o átomos del ciclo implicados) tiene sustituyentes diferentes. Los isómeros cis (o Z) tienen los sustituyentes prioritarios del mismo lado del plano de referencia, mientras que los trans (o E) los tienen en lados opuestos.
• Óptica (Enantiómeros y Diasteroisómeros): Se presenta en moléculas que poseen uno o más carbonos quirales (o asimétricos: un carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes). Los enantiómeros son isómeros ópticos que son imágenes especulares no superponibles entre sí. Desvían el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas pero con la misma magnitud. Los diasteroisómeros son estereoisómeros que no son enantiómeros (no son imágenes especulares entre sí), y se dan en moléculas con dos o más centros quirales.

Tipos de Ruptura de Enlaces

Ruptura Homolítica o Homopolar

Típica de enlaces covalentes con poca o ninguna diferencia de electronegatividad entre sus átomos. Durante la ruptura, cada átomo se queda con un electrón del par de enlace, formando radicales libres (especies con electrones desapareados), que son muy reactivos.

Ruptura Heterolítica o Heteropolar

Típica de enlaces covalentes polares, donde hay una diferencia significativa de electronegatividad entre los átomos. Uno de los átomos se queda con el par completo de electrones del enlace, formándose iones:

• Carbaniones (C⁻): El átomo de carbono se queda con el par de electrones, adquiriendo una carga negativa. Son reactivos nucleófilos (amantes de núcleos), que atacan zonas de baja densidad electrónica (cargas positivas o parciales positivas).
• Carbocationes (C⁺): El átomo de carbono pierde el par de electrones (se lo lleva el otro átomo más electronegativo), adquiriendo una carga positiva. Son reactivos electrófilos (amantes de electrones), que atacan zonas de alta densidad electrónica (cargas negativas, pares de electrones libres, dobles o triples enlaces).

Principales Reacciones Orgánicas

1. Reacciones de Sustitución

Un átomo o grupo de átomos de la molécula sustrato es reemplazado por otro átomo o grupo de átomos proveniente del reactivo. Fórmula general: R-X + Y → R-Y + X

Sustitución Nucleófila (S_N)

El reactivo atacante es un nucleófilo (especie rica en electrones) que ataca un centro deficiente en electrones (electrofílico) del sustrato.

• Obtención de alcohol a partir de halogenuro de alquilo: CH₃CH₂Cl + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Cl⁻
• Obtención de halogenuro de alquilo a partir de alcohol: CH₃CH₂OH + HCl → CH₃CH₂Cl + H₂O
• Hidrólisis de amida (ejemplo de S_N acílica): CH₃CONH₂ + H₂O (en medio ácido o básico) → CH₃COOH + NH₃

Sustitución Electrófila (S_E)

El reactivo atacante es un electrófilo (especie deficiente en electrones) que ataca un centro rico en electrones del sustrato (como un anillo aromático o un doble enlace).

• Nitración del benceno: C₆H₆ + HNO₃ (en presencia de H₂SO₄) → C₆H₅-NO₂ + H₂O
• Sulfonación del benceno: C₆H₆ + H₂SO₄ (fumante) → C₆H₅-SO₃H + H₂O
• Halogenación del benceno: C₆H₆ + Cl₂ (en presencia de FeCl₃ o AlCl₃) → C₆H₅-Cl + HCl
• Alquilación de Friedel-Crafts: C₆H₆ + R-X (en presencia de AlCl₃) → C₆H₅-R + HX

2. Reacciones de Adición

Dos moléculas se combinan para formar un único producto. Ocurren típicamente en compuestos con enlaces múltiples (insaturados), donde el enlace π se rompe para formar dos nuevos enlaces σ.

Adición Nucleófila

Típica de compuestos carbonílicos (aldehídos y cetonas), donde un nucleófilo ataca al carbono electrofílico del grupo carbonilo.

• Adición de ácido cianhídrico a un aldehído: CH₃-CHO + HCN → CH₃-CH(OH)-CN (formación de una cianhidrina)

Adición Electrófila

Típica de alquenos y alquinos. Un electrófilo ataca la zona de alta densidad electrónica del doble o triple enlace.

• Hidrogenación (adición de H₂): CH₂=CH₂ + H₂ (catalizador: Ni, Pt, o Pd) → CH₃-CH₃
• Halogenación (adición de X₂): CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl-CH₂Cl
• Adición de hidrácidos (HX) o agua (H₂O) a alquenos asimétricos: Sigue la Regla de Markovnikov, que establece que el átomo de hidrógeno (o la parte electropositiva del reactivo) se adiciona al átomo de carbono del doble enlace que ya posee el mayor número de átomos de hidrógeno.
• Hidratación (adición de H₂O, catalizada por ácido): CH₃-CH=CH₂ + H₂O (en H⁺) → CH₃-CH(OH)-CH₃ (producto Markovnikov)
• Adición de halogenuro de hidrógeno (HX): CH₃-CH=CH₂ + HCl → CH₃-CHCl-CH₃ (producto Markovnikov)
• Adición a alquinos:
  • CH₃-C≡CH + 2Br₂ → CH₃-CBr₂-CHBr₂
  • CH₃-C≡CH + H₂ (catalizador Lindlar) → CH₃-CH=CH₂ (alqueno cis)
  • CH₃-C≡CH + 2H₂ (catalizador Ni, Pt, Pd) → CH₃-CH₂-CH₃ (alcano)
  • CH₃-C≡CH + 2HCl → CH₃-CCl₂-CH₃ (adición Markovnikov en cada paso)

3. Reacciones de Eliminación

Se eliminan átomos o grupos de átomos de carbonos adyacentes en una molécula sustrato, formándose un doble o triple enlace (aumenta la insaturación). Es, en muchos casos, la reacción opuesta a la adición.

• Deshidratación de alcoholes (catalizada por H₂SO₄ concentrado y calor): CH₃-CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O. (Para alcoholes más complejos, sigue la Regla de Saytzeff: se forma el alqueno más sustituido y estable).
• Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo (con base fuerte como KOH en etanol y calor): CH₃-CH₂-CH₂Cl + KOH → CH₃-CH=CH₂ + KCl + H₂O. (También sigue la Regla de Saytzeff).
• Deshalogenación de dihalogenuros vecinales para formar alquinos (ej. con base muy fuerte como amiduro de sodio, o dos equivalentes de KOH en condiciones drásticas): CH₃-CHBr-CHBr-CH₃ + 2KOH → CH₃-C≡C-CH₃ + 2KBr + 2H₂O.

4. Reacciones de Condensación

Dos moléculas (o dos partes de una misma molécula grande) se combinan para formar una molécula mayor, con la eliminación simultánea de una molécula pequeña (generalmente agua, alcohol, HCl, etc.).

• Formación de amidas (amidación): Ácido carboxílico + Amina → Amida + H₂O
  CH₃-COOH + NH₂-CH₂-CH₃ → CH₃-CO-NH-CH₂-CH₃ + H₂O
• Esterificación (de Fischer): Ácido carboxílico + Alcohol ⇌ Éster + H₂O (catalizada por ácido)
  CH₃-CH₂-COOH + CH₃OH ⇌ CH₃-CH₂-CO-OCH₃ + H₂O
• Saponificación (hidrólisis básica de ésteres): Éster + Base fuerte (NaOH o KOH) → Sal de ácido carboxílico (jabón) + Alcohol
  CH₃-CO-O-CH₃ + NaOH → CH₃-CO-ONa + CH₃OH

5. Reacciones de Óxido-Reducción (Redox)

Implican un cambio en el estado de oxidación de los átomos de carbono. La oxidación implica un aumento en el número de enlaces C-O (o C-X, X=halógeno) o una disminución en el número de enlaces C-H. La reducción es lo contrario.

• Oxidación de alcoholes primarios:
  R-CH₂OH (alcohol 1º) + [O] (oxidante suave, ej. PCC) → R-CHO (aldehído)
  R-CH₂OH (alcohol 1º) + [O] (oxidante fuerte, ej. KMnO₄, K₂Cr₂O₇) → R-COOH (ácido carboxílico)
  Ejemplo: CH₃-CH₂OH → (oxidación) → CH₃-CHO → (oxidación) → CH₃COOH
• Oxidación de alcoholes secundarios:
  R-CH(OH)-R' (alcohol 2º) + [O] (oxidante) → R-CO-R' (cetona)
  Ejemplo: CH₃-CH(OH)-CH₃ → (oxidación) → CH₃-CO-CH₃

Nomenclatura y Valencias Comunes

Valencias Comunes de Elementos Seleccionados

(Nota: Esta lista presenta los estados de oxidación más comunes. El carbono en química orgánica forma típicamente 4 enlaces covalentes, y su estado de oxidación varía ampliamente según los átomos a los que esté unido.)

• Grupo 1 (Alcalinos): Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (+1)
• Grupo 2 (Alcalinotérreos): Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (+2)
• Grupo 13: B, Al, Ga, In (+3); Tl (+1, +3)
• Grupo 14: C (IV, estados de oxidación de -4 a +4); Si, Ge (+4, a veces +2); Sn, Pb (+2, +4)
• Grupo 15: N (-3, +1, +2, +3, +4, +5); P (-3, +3, +5); As, Sb, Bi (+3, +5)
• Grupo 16 (Calcógenos): O (-2, -1 en peróxidos); S, Se, Te (-2, +2, +4, +6)
• Grupo 17 (Halógenos): F (-1); Cl, Br, I (-1, +1, +3, +5, +7)
• Metales de Transición (ejemplos comunes):
  • Sc, Y (+3)
  • Ti (+3, +4); Zr, Hf (+4)
  • V (+2, +3, +4, +5); Nb, Ta (+5)
  • Cr (+2, +3, +6); Mo, W (varios, hasta +6)
  • Mn (+2, +3, +4, +6, +7)
  • Fe, Co, Ni (+2, +3)
  • Cu (+1, +2); Ag (+1); Au (+1, +3)
  • Zn, Cd (+2); Hg (+1, +2)
  • Pt, Pd (+2, +4)

Principales Grupos Funcionales y su Nomenclatura

• Alcoholes: Terminación "-ol". Fórmula general: R-OH
• Aldehídos: Terminación "-al". Fórmula general: R-CHO
• Cetonas: Terminación "-ona". Fórmula general: R-CO-R'
• Ácidos Carboxílicos: "Ácido ...-oico". Fórmula general: R-COOH
• Sales Orgánicas (de ácidos carboxílicos): Terminación "-oato de [metal/catión]". Fórmula general: R-COOM (M=metal o catión)
• Aminas Primarias: Sufijo "-amina" o prefijo "amino-". Fórmula general: R-NH₂
• Aminas Secundarias: N-sustituido-amina. Fórmula general: R-NH-R'
• Aminas Terciarias: N,N-disustituido-amina. Fórmula general: R-N(R')-R''
• Nitrocompuestos: Prefijo "nitro-". Fórmula general: R-NO₂
• Nitrilos (o Cianuros): Terminación "-nitrilo" o "cianuro de alquilo". Fórmula general: R-C≡N
• Amidas Primarias: Terminación "-amida". Fórmula general: R-CO-NH₂
• Amidas Secundarias (N-sustituidas): N-alquil-alcanamida. Fórmula general: R-CO-NH-R'
• Amidas Terciarias (N,N-disustituidas): N,N-dialquil-alcanamida. Fórmula general: R-CO-N(R')-R''
• Éteres: "éter" o prefijo "alcoxi-" (ej. metoxi-). Fórmula general: R-O-R'