CURSO 2011-12 QUÍMICAfiles.quimica2n.webnode.es/200000012-a14a0a2440/7...Hay que señalar que no se consideran orgánicos los carbonatos, los cianuros ni los óxidos de carbono. El

CH3

CH3

CURSO 2011-12

QUÍMICA ORGÁNICA

QUÍMICA

2º BACHILLERATO NOCTURNO

QUÍMICA 2º BACHILLERATO NOCTURNO

QUÍMICA ORGÁNICA

IES Séneca Córdoba Pág. 1

QUÍMICA ORGÁNICA

TEORÍA DE LA FUERZA VITAL Y QUÍMICA ORGÁNICA

La química orgánica estudia las sustancias que contienen carbono. Dichos compuestos son producidos generalmente por organismos vivos, por ello recibe ese nombre. Hay que señalar que no se consideran orgánicos los carbonatos, los cianuros ni los óxidos de carbono.

El primer compuesto orgánico natural sintetizado en el laboratorio fue la urea, gracias al alemán F. Whöler. Era también la primera sustancia orgánica obtenida a partir de materias inorgánicas, lo cual echó por tierra la antigua teoría de la fuerza vital, que afirmaba que las sustancias orgánicas únicamente podían ser producidas por seres vivos. La síntesis de Whöler fue:

NH4CNO (cianato amónico) →calor NH2-CO-NH2 (urea).

Hoy día se conocen varios millones de compuestos orgánicos, naturales o sintéticos y se siguen descubriendo al ritmo de unos cien mil cada año.

ENLACES DEL CARBONO

Una de las principales características de la Química orgánica es el reducido número de elementos químicos que forman parte de los compuestos orgánicos. La gran mayoría de ellos están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, siendo bastante menos frecuentes los que contienen azufre, fósforo y halógenos. Los enlaces pueden ser, en algunos casos como el nitrógeno y el propio carbono, simples, dobles o triples.

Mientras que se conocen unos cien mil compuestos inorgánicos, se han caracterizado ya más de seis millones de compuestos orgánicos. Esta aparente paradoja tiene su explicación en la singular capacidad del carbono para unirse consigo mismo y formar largas cadenas tridimensionales prácticamente ilimitadas. Si consideramos que algunas moléculas pueden llegar a alcanzar un peso molecular de varias decenas de millones (uma), se puede tener una idea del enorme número de diferentes disposiciones que pueden adoptar los átomos de las mismas.

El carbono, cuya estructura electrónica es 1s2 2s2 2p2, posee cuatro electrones de valencia y, de acuerdo con la teoría de orbitales híbridos, que es una simplificación de la teoría de enlaces de valencia, por las distintas combinaciones de sus orbitales atómicos 2s, 2px, 2py y 2pz, puede presentar tres tipos de hibridación: sp, sp2 y sp3.

De este modo, al unirse un orbital atómico s con otro p se obtienen dos orbitales híbridos sp, lineales, como puede verse en la figura 1.


QUÍMICA ORGÁNICA


Un orbital s y dos orbitales p constituyen la hibridación sp2, trigonal y plana, con ángulos de 120 grados. Como es lógico, se obtienen tres orbitales híbridos, según se aprecia en la figura 2.

Un orbital s y tres p originan cuatro orbitales híbridos sp3, dirigidos según los vértices de un tetraedro, con ángulos de 109,5 grados entre sí (ver figura 3).

Cuando el carbono se une con otro átomo, incluso otro carbono, mediante enlaces simples, presenta hibridación sp3, con un electrón en cada orbital. Esto es lo que sucede en la molécula de metano (CH4), como puede comprobarse experimentalmente al medir sus ángulos de enlace de 109,5o, típicos de una molécula tetraédrica, con el carbono en el centro y los átomos de hidrógeno en los cuatro vértices (Ver figura 4).

En la molécula de eteno o etileno los dos carbonos centrales presentan hibridación sp2, de forma que utilizan dos orbitales híbridos, cada uno con un electrón, para enlazar con los respectivos átomos de hidrógeno y el tercero, con otro electrón, sirve para unirse entre ellos mediante un enlace tipo sigma. Ambos carbonos tienen todavía un orbital atómico p sin utilizar, con un solo electrón, perpendicular al plano de los orbitales híbridos. Dichos orbitales p, uno de cada átomo, se unen constituyendo un enlace tipo pi. De esta manera explicamos el doble enlace entre los dos átomos centrales.

La molécula de acetileno tiene dos átomos de carbono unidos por un triple enlace, junto a otros dos átomos de hidrógeno, cada uno de ellos enlazado a su


QUÍMICA ORGÁNICA


carbono. Cada carbono utiliza un orbital híbrido sp para enlazar con su correspondiente hidrógeno y el otro orbital sp lo emplea para unirse al otro carbono, mediante un enlace sigma. Aún posee otros dos orbitales atómicos p (con un electrón en cada uno), perpendiculares entre sí y respecto al orbital híbrido, de modo que se unen formando dos enlaces pi.

CADENAS CARBONADAS

Esta variedad y facilidad con la que el carbono puede formar enlaces le permite constituir cadenas sin limitación en el número de átomos de carbono. Dichas cadenas pueden ser abiertas o cerradas, admitiendo en ambos casos ramificaciones. La disposición de los átomos de carbono en las cadenas está siempre condicionada por la estructura tetraédrica de los enlaces, lo que obliga a los átomos a situarse en zigzag (Figura 5).

De acuerdo con la posición que ocupan en la cadena carbonada, los átomos de carbono pueden ser primarios, secundarios, terciarios o cuaternarios, según estén unidos a 1, 2, 3 ó 4 átomos de C, respectivamente. Por ejemplo:

PROPIEDADES GENERALES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS

Dadas las características de los enlaces que forma el carbono, marcadamente covalentes, los compuestos orgánicos presentan algunas propiedades comunes, como son las siguientes:

�� Los puntos de fusión y de ebullición suelen ser bajos, como corresponde a la existencia de débiles fuerzas intermoleculares. Ahora bien, estas fuerzas y, por tanto, los puntos de fusión y de ebullición aumentan conforme se incrementan


QUÍMICA ORGÁNICA


el tamaño de la cadena carbonada y la polaridad de las moléculas, o si aparecen enlaces de hidrógeno.

�� Suelen ser poco solubles en agua, mientras que son solubles en disolventes orgánicos, como benceno, hexano, dietiléter, etc. Ello está de acuerdo con la escasa polaridad, en general, de las moléculas orgánicas. La presencia de enlaces de hidrógeno en algunos compuestos aumenta su solubilidad en el agua.

�� No conducen la corriente eléctrica ni en disolución ni fundidos porque no poseen iones ni moléculas polarizadas.

�� La energía de activación de las reacciones en que intervienen suele ser muy elevada, lo que motiva que la velocidad de reacción sea generalmente pequeña. Por ello es frecuente recurrir al uso de catalizadores en las reacciones orgánicas, ya que generalmente los compuestos del carbono no soportan una gran elevación de la temperatura, puesto que un calentamiento excesivo puede provocar su descomposición o inflamación.

EJEMPLO 1. Para los siguientes compuestos: CH3CH3 , CH2=CH2 y CH3CH2OH

a) Indicar cuál o cuáles son hidrocarburos.

b) Razonar cuál será más soluble en agua.

c) Explicar cuál sería el compuesto con mayor punto de ebullición.

Solución: a) CH3–CH3 (etano) y CH2=CH2 (eteno o etileno).

b) CH3–CH2OH (etanol) porque forma puentes de H con las moléculas de agua.

c) CH3–CH2OH (etanol) porque forma puentes de H intermoleculares (es líquido).

CLASES DE FÓRMULAS DE LOS COMPUESTOS ORGANICOS

Existen distintos tipos de fórmulas, según el contenido de información que se intente expresar, y que tienen un interés especial en Química orgánica, por lo que vamos a estudiarlas brevemente a continuación.

La fórmula empírica sólo indica la proporción de los átomos de cada elemento en una molécula. Por ejemplo CH3.

La fórmula molecular indica el número exacto de átomos de cada elemento en la molécula. Por ejemplo C2H6. Sin embargo, no define unívocamente a un compuesto, en particular tratándose de compuestos orgánicos. Un determinado número de átomos pueden unirse entre sí de distintas formas para dar lugar a diferentes compuestos. La sencilla fórmula molecular C2H4O2 puede corresponder a tres compuestos distintos: ácido acético, formiato de metilo y etanodial. Para poder identificar unívocamente un compuesto es necesario indicar los enlaces que existen entre los átomos que lo forman. Para ello, se utilizan las llamadas fórmulas estructurales, que pueden ser, principalmente, de tres tipos:

�� Fórmulas condensadas (o semidesarrolladas), llamadas también lineales y en las que los pares de electrones de cada enlace se representan por un trazo o guión, que une a los dos átomos correspondientes. En este tipo de fórmulas se


QUÍMICA ORGÁNICA


suelen omitir algunos enlaces simples, en particular los enlaces C-H, e incluso, muchas veces, algunos dobles enlaces, poniendo los átomos ordenados para dar idea de su forma de enlace. Por ejemplo:

CH3– CH2– CH2 – CH2– O – CH3 CH3 – CO – CH3 CH3– COOH

�� Fórmulas desarrolladas, expandidas, o fórmulas planas, en las que se representan en el plano todos los enlaces. Por ejemplo:

Es muy frecuente en Química orgánica utilizar una mezcla de las fórmulas condensadas y expandidas, representando sólo por trazos los enlaces que tengan interés en cada tipo de reacción.

�� Fórmulas tridimensionales, en las que se representan las direcciones de los enlaces en el espacio, para lo cual se adopta el convenio de representar con trazo continuo los enlaces contenidos en el plano de representación (plano del papel); con trazo discontinuo los enlaces dirigidos hacia detrás de dicho plano; y con un trazo en forma de cuña, los enlaces dirigidos hacia delante del mencionado plano. Por ejemplo:

Además de estos tipos de fórmulas, en Química orgánica son muy utilizados los llamados modelos moleculares, que son insustituibles para poder visualizar de forma muy clara la estructura geométrica de las moléculas. Los más utilizados son los modelos de esferas y barras, en los que las distancias de enlace están aumentadas en relación con el tamaño de los átomos, resaltando así los ángulos de enlace y simetría molecular, y los modelos compactos o de espacio lleno, que son modelos a escala de esferas interpenetradas, que proporcionan una representación real de las moléculas, poniendo claramente de manifiesto las relaciones espaciales, tanto entre átomos enlazados como entre los no enlazados.

EJEMPLO 2. La fórmula empírica de un compuesto orgánico es C2H4O. Si su masa molecular es 88:

a) Determinar su fórmula molecular.

b) Calcular el número de átomos de hidrógeno que hay en 5 g de dicho compuesto.

Masas atómicas: C = 12; O = 16; H = 1.

Solución: a) Con la fórmula empírica obtendríamos una masa molecular de 44, evidentemente la fórmula molecular del compuesto será el doble: C4H8O2.


QUÍMICA ORGÁNICA


b) El número de moles en 5 g de compuesto será: 0568,088

5 = ; y el de moléculas se

obtendrá al multiplicar por el número de Avogadro: 0,0568· 6,022· 1023 = 3,42·1022. Finalmente, como cada molécula contiene 8 átomos de H, el número total de átomos de H será: 8· 3,42·1022 = 2,74·1023.

EJEMPLO 3. Si consideramos los compuestos C6H6 y C2H2, razonar de las siguientes afirmaciones cuáles son ciertas y cuáles falsas:

a) Los dos tienen la misma fórmula empírica.

b) Los dos tienen la misma fórmula molecular.

c) Los dos tienen la misma composición centesimal.

Solución: a) Cierto, es CH.

b) Falso, son C6H6 y C2H2.

c) Cierto, porque viene dada por la fórmula empírica.

GRUPO FUNCIONAL Y SERIE HOMÓLOGA

Se entiende por grupo funcional un conjunto de átomos inserto en la cadena de carbono de un compuesto y que por sus características de reactividad es el responsable del comportamiento químico de la molécula. Cada grupo funcional definirá, por tanto, un tipo distinto de compuesto orgánico. Los más importantes son los que se relacionan en la tabla de la página 6.

Los símbolos R y R’ indican el resto de la cadena carbonada unida al grupo funcional.

Una serie homóloga está constituida por un grupo de compuestos con el mismo grupo funcional y tales que cada término difiere del anterior y del posterior en poseer un grupo –CH2– más y menos, respectivamente. Cada serie constituye una familia de compuestos orgánicos, con propiedades químicas muy similares.

Podemos considerar los compuestos orgánicos como derivados de la serie homóloga de los hidrocarburos saturados (o parafinas) de cadena no ramificada, por sustitución de un átomo de hidrógeno por el grupo funcional correspondiente. Los nombres y fórmulas de los primeros términos de dicha serie homóloga se recogen en la tabla siguiente:

NOMBRE Nº DE CARBONOS ESTRUCTURA

Metano 1 CH4

Etano 2 CH3–CH3

Propano 3 CH3–CH2–CH3

Butano 4 CH3–(CH2)2–CH3

Pentano 5 CH3–(CH2)3–CH3

Desde el pentano en adelante ya se utiliza el prefijo numeral griego para señalar el número de carbonos.


QUÍMICA ORGÁNICA


Los principales grupos funcionales y sus nombres son:

Grupo funcional Tipo de

compuesto Fórmula del compuesto

Sufijo Nombre como sustituyente

alquilo Alcano R -ano

alquenilo C=C Alqueno R=R -eno

alquinilo C≡C Alquino R≡R -ino

amino –NH2 Amina NR3 -amina amino

hidroxilo –OH Alcohol R-OH -ol hidroxi

alcoxi –O– Éter R-O-R' éter oxi

carbonilo

–C=O

Aldehido R-C(=O)H -al

Cetona R-C(=O)-R' -ona ceto

carboxilo –COOH

Ácido carboxílico

R-COOH -ico

alcoxicarbonilo Éster R-COO-R' Alquilato de alquilo

amido –CONH2 Amida R-C(=O)N(-H)-R' -amida

ciano –C≡N Nitrilo R-C≡N -nitrilo ciano

Halógeno –X Derivado

halogenado R–X

Halogenuro de alquilo

halo

NOMENCLATURA

Es importante la adopción de nombres inequívocos y sistemáticos, a la vez que sencillos, para todos los compuestos orgánicos. Por ello se han establecido unas reglas por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), para la denominación de los compuestos, aunque aún se utilizan muchos nombres no sistemáticos, empleados desde antiguo.

En general, el nombre sistemático de un compuesto orgánico tiene dos partes esenciales: un prefijo, que indica el número de carbonos de la cadena principal y un sufijo, que caracteriza el grupo funcional que posee. En caso de que la cadena sea ramificada deben señalarse, mediante números localizadores, los carbonos que soportan las ramificaciones y los nombres de éstas. También ha de indicarse el carbono que lleva el grupo funcional. Así pues, para nombrar un compuesto orgánico es conveniente realizar los siguientes pasos:

�� 1o) La cadena más larga de átomos de carbono determina el nombre del compuesto. El prefijo utilizado es el que posee el hidrocarburo del mismo número de átomos de carbono, recogido en la tabla anterior.

�� 2o) El sufijo viene determinado por el grupo funcional. Los más comunes se indican en la tabla. Cuando haya más de un grupo funcional en la molécula el sufijo que se adopta es el del grupo principal, el cual se designa mediante un


QUÍMICA ORGÁNICA


orden decreciente de prioridad. Primero los ácidos carboxílicos, luego sus derivados, seguidamente los compuestos carbonílicos, continuando con los alcoholes, las aminas, los éteres y los dobles y triples enlaces.

Familia Terminación (sufijo)

Hidrocarburos saturados -ano

Alquenos -eno

Alquinos -ino

Radicales alquílicos -il o –ilo

Alcoholes -ol

Aldehídos -al

Cetonas -ona

Ácidos -oico

Aminas -amina

Amidas -amida

Nitrilos -nitrilo

�� 3o) Se elige como cadena principal la cadena más larga que contenga el grupo funcional, numerando sus carbonos por el extremo más cercano a dicho grupo. Si hay dos, tomamos la que posea más ramificaciones. El nombre del compuesto debe ir precedido por el número que indica la posición del grupo funcional. Actualmente se recomienda situar este localizador justo delante del sufijo que designa al grupo funcional. Por ejemplo, podemos decir: 2-hexanona o hexan-2-ona.

�� 4o) Si existen ramificaciones se indican anteponiendo al nombre del compuesto el nombre de la ramificación (radical alquílico) precedido por el número que señala su posición. Si hay dos, tres, etc., radicales iguales se repite el número del carbono donde se encuentran y se antepone el prefijo di, tri, etc., al nombre del radical.

�� 5o) Cuando hay varios radicales se nombran en orden alfabético.

Veamos un ejemplo:


QUÍMICA ORGÁNICA


ISOMERÍA

Debido a los distintos tipos de enlaces o bien a las diferentes disposiciones de los átomos en la molécula, es bastante frecuente en la química orgánica el fenómeno de la isomería, que se produce cuando dos o más compuestos tienen fórmulas moleculares idénticas, pero diferentes fórmulas estructurales. Se dice que cada uno de ellos es isómero de los demás.

En general, los isómeros son fácilmente distinguibles unos de otros porque poseen propiedades físicas y químicas diferentes, excepto los isómeros ópticos. Se conocen varios tipos de isomería que podemos clasificar de la manera siguiente: isomería plana o estructural y espacial o estereoisomería. La primera se explica simplemente con fórmulas desarrolladas en el plano; en cambio, la segunda requiere la utilización de fórmulas tridimensionales. A su vez, la isomería plana puede ser de cadena, de posición y de función, y de la espacial se conocen la isomería geométrica (o cis-trans) y la óptica.

ISOMERÍA PLANA

�� Isomería de cadena o de esqueleto

Este tipo de isomería se produce como resultado de las diferentes secuencias permitidas en las que los átomos de carbono pueden enlazar al formar una cadena, según se ilustra en las fórmulas estructurales de los tres hidrocarburos C5H12 isómeros, los pentanos. La única diferencia estructural entre estos isómeros es la ordenación del esqueleto carbonado.

Al ir aumentando el número de átomos de carbono de la molécula, el número de isómeros posibles crece de manera astronómica.

�� Isomería de posición

Este tipo de isomería resulta de la posibilidad de colocar grupos funcionales en diferentes posiciones sobre un mismo esqueleto carbonado. Por ejemplo:

�� Isomería de función

Este tipo se da en ciertos casos entre moléculas que tienen distintos grupos funcionales. Así, el alcohol etílico contiene el grupo hidroxilo, por ejemplo, mientras que el éter metílico tiene el grupo metoxilo, -OCH3. Estos dos compuestos son isómeros debido a su fórmula molecular común, C2H6O. De manera similar, la acetona (o propanona) y el propanal (o propionaldehido) son isómeros funcionales, así como el ácido acético (o etanoico) y el formiato de metilo (o metanoato de metilo):


QUÍMICA ORGÁNICA


CH3–CH2OH y CH3–O–CH3;

CH3–CO–CH3 y CH3–CH2–CHO;

CH3–COOH y HCOO-CH3

ESTEREOISOMERÍA

Las fórmulas estructurales que hemos utilizado hasta aquí son planas y bidimensionales. Sin embargo, como cualquier estructura material, las moléculas son tridimensionales, y algunos aspectos de su comportamiento sólo se pueden comprender si tenemos esto en cuenta. Los isómeros que se diferencian en sus estructuras tridimensionales se llaman estereoisómeros o estereómeros. Por ello, las representaciones estereoquímicas deben realizarse mediante dibujos en perspectiva o modelos tridimensionales.

�� Isomería geométrica

Este tipo de isomería es característico de los compuestos orgánicos en los que dos átomos de carbono unidos por un doble enlace se encuentran, a su vez, enlazados, cada uno de ellos, a átomos o grupos atómicos diferentes, uno de los cuales, al menos, suele ser idéntico a uno de los pertenecientes al otro carbono. Estos átomos o grupos iguales pueden, estar situados al mismo lado (cis) o en lados opuestos (trans) del plano que contiene al doble enlace y es, asimismo, perpendicular al plano que contiene todo el sistema molecular.

Por ejemplo, los dos isómeros geométricos del 2-buteno son:

En general, la isomería cis-trans es característica de todos los compuestos de fórmula general RXC=CXR’:

La causa de la existencia de este tipo de isomería hay que buscarla en la rigidez del doble enlace, que impide la libre rotación, con lo que los dos isómeros constituyen compuestos diferentes. Los isómeros geométricos se diferencian en sus propiedades, tanto físicas como químicas, y en su contenido energético. Por regla general, el isómero trans es más estable que el cis.

�� Isomería óptica

Si hay cuatro grupos diferentes unidos a un átomo de carbono, podemos hallar dos estructuras, que son imagen especular una respecto de la otra, no superponibles; es decir, no hay manera de girar la estructura de la derecha en el espacio tal que consiga superponerla a la de la izquierda. A este respecto dichas


QUÍMICA ORGÁNICA


estructuras son similares a las manos derecha e izquierda. Estas estructuras, imágenes especulares no superponibles, se llaman enantiómeros:

Cada enantiómero presenta el fenómeno de la actividad óptica, por lo que se les conoce también por el nombre de isómeros ópticos. La actividad óptica es la propiedad de ciertas sustancias para girar el plano de polarización de la luz polarizada. Un enantiómero lo gira un cierto ángulo hacia la derecha, y el otro enantiómero gira el plano en igual cantidad hacia la izquierda.

Una mezcla equimolecular de dos enantiómeros se llama mezcla racémica o racemato. Los racematos son ópticamente inactivos, ya que la actividad debida aun enantiómero está exactamente compensada por la del otro enantiómero.

Un átomo de carbono que soporta cuatro sustituyentes distintos se llama carbono asimétrico, y a menudo se designa mediante un asterisco, según se indica en la fórmula siguiente.

Así, las moléculas que contienen átomos de carbono asimétricos pueden existir como enantiómeros, pero las moléculas con menos de cuatro sustituyentes distintos en los átomos de carbono, ordinariamente no.

EJEMPLO 4. Señalar el tipo de isomería existente entre los compuestos de cada uno de los apartados siguientes:

a) CH3CH2CH2OH y CH3CHOHCH3

b) CH3CH2OH y CH3OCH3

c) CH3CH2CH2CHO y CH3CH(CH3)CHO

Solución: a) Isomería de posición, ya que el grupo funcional –OH está sobre diferentes carbonos.

b) Isomería de función, pues se trata de un alcohol y de un éter.

c) Isomería de cadena, por ser dos aldehídos de igual número de carbonos.

EJEMPLO 5. Dados los siguientes compuestos: CH3COOCH2CH3, CH3CONH2, CH3CHOHCH3 y CH3CHOHCOOH

a) Identificar los grupos funcionales presentes en cada uno de ellos.

b) ¿Alguno posee átomos de carbono asimétrico? Razonar la respuesta.


QUÍMICA ORGÁNICA


Solución: a) Son, respectivamente: éster (hidroxicarbonilo), amido, alcohol (hidroxilo) y un compuesto bifuncional con los grupos alcohol (hidroxilo) y ácido (carboxilo).

b) En el compuesto CH3CHOHCOOH, ácido 2-hidroxipropanoico, el carbono 2 tiene los cuatro sustituyentes distintos, es asimétrico.

TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS

La mayoría de las reacciones orgánicas se puede clasificar dentro de un reducido número de tipos, principalmente:

�� Reacciones de sustitución

R-X + B-Y → R-Y + B-X

CH3CH2CH2OH + HBr → CH3CH2CH2Br + H2O

Se dice que tiene lugar una reacción de sustitución, llamada también reacción de desplazamiento, cuando se sustituye un átomo o grupo de átomos de una molécula por otro átomo o grupo. Si la sustitución tiene lugar en la cadena se llama alifática y cuando es en un anillo bencénico, aromática.

Son ejemplos de sustitución alifática la halogenación de alcanos, al tratar un hidrocarburo saturado con halógeno y utilizar luz ultravioleta como catalizador se obtienen derivados halogenados (casi siempre mezclas de compuestos). También son importantes la sustitución del grupo –OH por un halógeno (X) al tratar el alcohol con el correspondiente haluro de hidrógeno (HX). O bien el proceso contrario, sustituir, en medio básico, el halógeno de un haluro de alquilo por un –OH.

Dentro de la sustitución aromática destacaremos las reacciones de Friedel y Crafts, especialmente la halogenación y la alquilación del benceno, empleando AlCl3 o FeCl3 como catalizador. En el primer caso se obtienen derivados halogenados al tratar el benceno con halógenos y en el segundo se producen los hidrocarburos aromáticos correspondientes al tratar el benceno con haluros de alquilo:

�� Reacciones de eliminación

RCH2—CH2X → RCH=CH2 + HX

BrCH2—CH2Br → Etanol/KOH 2 KBr + CH2=CH2,

Las reacciones de eliminación se caracterizan por la pérdida intramolecular de una molécula pequeña a partir de una mayor, con la formación simultánea de un enlace múltiple en esta última. En las reacciones de condensación se elimina intermolecularmente una molécula pequeña (casi siempre H2O) entre dos o más moléculas mayores.


QUÍMICA ORGÁNICA


Podemos destacar la deshidratación de alcoholes, utilizando ácido sulfúrico, que sirve como método de preparación de alquenos. Por otro lado, cuando los alcoholes se tratan con una base fuerte, como KOH, en disolución alcohólica, también se producen alquenos. En ambos casos, se forma preferentemente el alqueno más sustituido.

�� Reacciones de adición

RCH=CHR + AB → RCHA—CHRB

CH2=CH2 + HCl → CH3—CH2Cl

Las reacciones de adición, que son las inversas de las reacciones de eliminación, implican la adición de una molécula al enlace múltiple de otra. Son típicas de los alquenos (y alquinos).

Destacaremos la hidrogenación, usando Ni, Pt o Pd como catalizador que conduce a alcanos. Es interesante observar que si se controla la reacción con los alquinos, de modo que se consuma un mol de hidrógeno por cada mol de compuesto, podemos detener el proceso obteniendo el alqueno.

Muy similar es la halogenación, que produce derivados dihalogenados en alquenos, o tetrahalogenados en alquinos, todos en posiciones vecinas.

Finalmente, citaremos la adición de haluros de hidrógeno (dando haluros de alquilo) y la adición de agua (dando alcoholes). En los dos casos se sigue la regla de Markovnikov, de forma que el átomo de H se adiciona al carbono del doble enlace que posee más H y el halógeno o el –OH se unen al otro carbono. Es una excepción el empleo de HBr en presencia de peróxidos, que conduce al producto contrario. La explicación reside en el mecanismo por el que transcurre la adición.

EJEMPLO 6. a) Escribir la reacción de combustión del propano.

b) Si 22 g de propano liberan 1100 kJ al quemarse, ¿Cuál es el calor de combustión del propano?

c) Calcular el volumen de oxígeno en condiciones normales que se necesita para quemar 132 g de propano.

d) ¿Cuántos átomos de oxígeno se habrán consumido en el caso anterior?

Solución: a) C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

b) El peso molecular del propano es 44, por lo que 22 g es medio mol. Si medio mol libera 1100 kJ al quemarse, un mol liberará el doble, 2200 kJ. Este es el calor de combustión pedido.

c) Para quemar 44 g se necesitan 5· 22,4 = 122 L de oxígeno. Así, para quemar 132 g se

consumirán: 33644

132122 = L de oxígeno en condiciones normales.

d) 336 L en condiciones normales son 336/22,4 mol. Puesto que cada mol contiene el número de Avogadro de moléculas, se habrán consumido:

=⋅4,22

33610022,6 23 9,05· 1024 moléculas de O2, es decir 1,81·1025 átomos de O


QUÍMICA ORGÁNICA


EJEMPLO 7. Poner un ejemplo de los siguientes tipos de reacciones:

a) Reacción de adición a un alqueno.

b) Reacción de sustitución en un alcano.

c) Reacción de eliminación de HCl en un cloruro de alquilo.

Solución: a) CH3—CH=CH2 + H2 →Ni CH3—CH2—CH3

b) CH3—CH3 + Cl2 → UVluz CH3—CH2—Cl + HCl

c) CH3—CHCl—CH2—CH3 → )alcohol(KOH CH3—CH=CH—CH3 + KCl

EJEMPLO 8. Completar las siguientes reacciones y ajustar la que corresponda a una combustión:

a) CH3CH=CHCH3 + H2 →

b) CH3CH3 + O2 →

c) CH4 + Cl2 → νh

Solución: a) CH3CH=CHCH3 + H2 →Ni CH3CH2–CH2–CH3

b) CH3CH3 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O

c) CH4 + Cl2 → νh CH3Cl + HCl

EJEMPLO 9. Indicar el compuesto orgánico que se obtiene en las siguientes reacciones químicas:

a) CH2=CH2 + Br2 →

b) C6H6 + Cl2 →

c) CH3—CHCl—CH3 → )alcohol(KOH

Solución: a) CH2=CH2 + Br2 → CHBrCHBr (1,2-dibromoetano), es una adición.

b) C6H6 + Cl2 → C6H5Cl (clorobenceno) + HCl, es una sustitución.

c) CH3—CHCl—CH3 → )alcohol(KOH CH3—CH=CH2 (propeno) + KCl, eliminación.

EJEMPLO 10. Utilizando un alqueno como reactivo, escribir:

a) La reacción de adición de HBr.

b) La reacción de combustión ajustada.

c) La reacción que produzca el correspondiente alcano.

Solución: a) CH3–CH=CH2 + HBr → CH3–CHBr–CH3

b) C4H8 + 6 O2 → 4 CO2 + 4 H2O

c) CH3–CH=CH2 + H2 →Ni CH3–CH2–CH3


QUÍMICA ORGÁNICA


CH2CH3

EJERCICIOS PROPUESTOS 1) Razonar si son verdaderas o falsas estas afirmaciones:

a) El punto de ebullición del butano es menor que el de 1-butanol.

b) La molécula CHCl3 posee una geometría tetraédrica con el carbono ocupando la posición central.

c) El etano es más soluble en agua que el etanol.

2) Indicar el tipo de hibridación que presenta cada uno de los átomos de carbono en las siguientes moléculas:

a) CH3C≡CCH3

b) CH3CH=CHCH3

c) CH3CH2CH2CH3

3) Uno de los alimentos más consumido es la sacarosa C12H22O11. Cuando reacciona con el oxígeno se transforma en dióxido de carbono y agua desprendiendo 348,9 kJ/mol, a la presión de una atmósfera. El torrente sanguíneo absorbe, por término medio, 26 moles de O2 en 24 horas. Con esta cantidad de oxigeno:

a) ¿Cuántos g de sacarosa se pueden quemar al día?

b) ¿Cuántos kJ se producirán en la combustión?

Masas atómicas: H = 1; C = 12; O = 16.

SOLUCIÓN: a) 741 g b) 757 kJ/día

4) Dadas las moléculas CH4, C2H2, C2H4, razonar si las afirmaciones son verdaderas o falsas:

a) En la molécula C2H4 los dos átomos de carbono presentan hibridación sp3.

b) El átomo de carbono de la molécula CH4 posee hibridación sp3.

c) La molécula de C2H2 es lineal.

5) Las fórmulas moleculares de tres hidrocarburos lineales son: C3H6, C4H10 y C5H12. Razonar si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:

a) Los tres pertenecen a la misma serie homóloga.

b) Los tres presentan reacciones de adición.

c) Los tres poseen átomos de carbono con hibridación sp3.

6) Nombrar o formular los siguientes compuestos:


QUÍMICA ORGÁNICA


7) Formular los siguientes compuestos:

a) etil-2,2-dimetilpentano b) 4,4-dietil-2,3-dimetil-5-propiloctano

c) 3,3-dietil-2,2,4-trimetilhexano d) 3,4,5-trimetil-4-propil-1-hepteno

e) 2,2,5,5-tetrametil-3-heptino f) 1,3,5-hexatriino

g) 6,6-dietil-5-metil-4,4-dipropil-2-octino


a) CH3—CH2—CHCl—CH3 b) 1,2,3-tribromopropeno

c) 2,2,4-trimetil-3-hexanol d) 1,2,3-propanotriol

e) butilmetiléter


a) 2-hexanona b) 5-cloro-3-metil-octanal

c) metilbenceno d) fenol

e) CH3—CH2—CHCl—CH2—CH2—CH2—CHOH—CH3


a) ácido metilpropanoico b) ácido 2-hidroxipropanoico

c) ácido etanodioico d)CH3—CH2—CH2—COO—CH2—CH2—CH3

e) CH3—CO—CH2—CH2—CH2—COOH f) acetona


a) CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–NH–CH2–CH3 b) CH3–CH2–CH2–C ≡ N

c) CH3–CH2–CH2–COO–CH2–CH3 d) 3,3-dietil-4-metil-2-heptanol

e) 2,4,4-tribromopentanal f) butanodial

g) butanodiona h) 4-etil-2-metil-3-heptanona

12) Formular o nombrar los siguientes compuestos:

a) 2-metilbutanoato de propilo b) Ácido 3-cloro-2-butenoico

c) N-etil-3,3-dimetilheptanamida d) 2,2-dimetilbutanamida

e) ácido 3-hidroxihexanodioico f) (CH3–CH2)2–N–CH3

g) CH3–C ≡ C–CH2–COOH


a) CH3–CH2–CH2–CH2–NH–CH2–CH2–CH3 b) CH3–CH2–CHBr–COOH

c) CH3–CH2–COO–CH2–CH2–CH3 d) 3,3-dietil-4-metil-2-heptanona

e) 2,2,4-triyodo-1-hexanol f) metilpropanonitrilo

g) ácido 3-pentenoico h) nitrobenceno


QUÍMICA ORGÁNICA


14) Formular o nombrar los siguientes compuestos orgánicos:

a) butanonitrilo b) ácido pentanodioico

c) CH3–CH2OH–CH2Cl–CH3 d) nitrometano

e) CH3–CH2–CO–CH3 f) 3-metilhexanal

g) CH3–CH2–CHNO2–CH2–CH2–COOH

15) Una muestra de 9,66 g de cierto hidrocarburo gaseoso, de cadena abierta, contiene 1,38 g de hidrógeno. Si dicha muestra ocupa un volumen de 5,62 L a 18 oC y 740 mm de Hg. Determinar su fórmula molecular y señalar de qué compuesto se trata. SOLUCIÓN: C3H6

16) Escribir y nombrar todos los isómeros posibles de fórmula C4H8.

17) Indicar los isómeros posibles de la fórmula C3H8O.

18) Poner un ejemplo de cada una de las siguientes reacciones:

a) Adición a un alqueno.

b) Sustitución en un alcano.

c) Deshidratación de un alcohol.

d) Eliminación en un haluro de alquilo.

19) Completar las siguientes reacciones y señalar el tipo al que pertenecen:

a) CH≡CH + HCl →

b) BrCH2-CH2Br → Etanol/KOH 2 KBr +

c) CH3CH2CH3 + Cl2 → νh HCl +

20) Completar las siguientes reacciones e indica de qué tipo son:

a) CH3CH=CH2 + HBr →

b) CH3CH2CH2OH + HCl →

c) CH≡CH + H2 → Pd/Pt

21) Una muestra de 9 g de un hidrocarburo gaseoso, que posee cierto carácter ácido, ocupa un volumen de 3,73 L en condiciones normales. Su análisis da un 89 % de carbono y el resto hidrógeno.

a) Hallar la fórmula molecular.

b) Determinar su estructura y la de un isómero.

c) Indicar las reacciones de ambos isómeros con el hidrógeno.

Masas atómicas: C-12 H-1 SOLUCIÓN: a) C4H6


QUÍMICA ORGÁNICA


22) Explicar cómo distinguir las siguientes parejas de compuestos mediante alguna reacción química:

a) butano y 1-buteno.

b) propeno y propino.

23) Escribir las reacciones de los siguientes compuestos con HBr:

a) 2-buteno. b) 1-propanol. c) 1-pentino. d) propeno.

24) Completar y escribir las reacciones del benceno con:

a) HCl. b) cloruro de propilo.

25) Se sabe que 19,50 g de cierto hidrocarburo ocupan un volumen de 6,788 L medido a la presión de 684 mm de Hg y a una temperatura de 25 ºC.

a) Determinar la fórmula molecular de dicho hidrocarburo, que contiene un 92,3 % de carbono.

b) Si el compuesto da con facilidad reacciones de sustitución y muy difícilmente reacciones de adición, ¿de qué hidrocarburo se trata?

SOLUCIÓN: a) C6H6

26) Dados los compuestos: metanol, propeno y 2-buteno, indicar, razonadamente:

a) Los que pueden presentar puentes de hidrógeno.

b) Los que pueden experimentar reacciones de adición.

c) Los que pueden presentar isomería geométrica.

Documents

CURSO 2011-12 QUÍMICAfiles.quimica2n.webnode.es/200000012-a14a0a2440/7...Hay que señalar que no se consideran orgánicos los carbonatos, los cianuros ni los óxidos de carbono. El