Química orgánica · Estructura y reactividad orgánica
Principales reacciones orgánicas
En una cocina de Tegucigalpa, el cilindro de gas LP alimenta la hornilla donde se calientan las tortillas y los frijoles. Ese gas (propano y butano) arde y deja calor, dióxido de carbono y agua. Con otras sustancias del carbono se hacen cosas muy distintas: a partir de un alqueno se puede obtener un alcohol, luego un ácido y luego un éster de aroma frutal. No hay que memorizar cientos de reacciones sueltas. Casi todas son de unos pocos tipos (combustión, sustitución, adición, oxidación, condensación) que se repiten según el grupo funcional. Al final de la página usted podrá encadenar esos pasos.
Combustión de hidrocarburos y alcoholes
La combustión completa de un compuesto que contiene solo C, H y O es una reacción con oxígeno del aire. Produce siempre $\mathrm{CO_2}$ y $\mathrm{H_2O}$ y libera mucha energía. Por eso los hidrocarburos y los alcoholes se usan como combustibles.
Practica★☆☆Sin empezar
La combustión completa de alcoholes genera dióxido de carbono y vapor de agua, liberando una notable cantidad de energía térmica. a) Escriba y ajuste mediante…
La combustión completa de alcoholes genera dióxido de carbono y vapor de agua, liberando una notable cantidad de energía térmica.
a) Escriba y ajuste mediante coeficientes estequiométricos enteros la ecuación química de combustión completa del etanol ($\mathrm{CH_3-CH_2OH}$).
b) Calcule el volumen de dióxido de carbono medido a $25\,^{\circ}\text{C}$ y $1.0\,\text{atm}$ que se desprende al quemar completamente $23.0\,\text{g}$ de etanol. Datos: masas atómicas relativas: $\mathrm{C}=12.0$; $\mathrm{H}=1.0$; $\mathrm{O}=16.0$; constante de los gases $R = 0.082\,\text{atm}\times\text{L}\times\text{mol}^{-1}\times\text{K}^{-1}$.
Los alcanos son poco reactivos: solo tienen enlaces sencillos C–C y C–H. Aun así, con luz ultravioleta o calor reaccionan con cloro o bromo. En una reacción de sustitución, un átomo de H es reemplazado por un halógeno y se desprende un halogenuro de hidrógeno.
Adición a alquenos y alquinos
Los alquenos y alquinos tienen enlaces $\pi$, más débiles y más ricos en electrones que los $\sigma$. Esos enlaces son los que reaccionan.
Si el reactivo es simétrico ($\mathrm{H_2}$, $\mathrm{Br_2}$) no hay duda sobre dónde se une cada parte. Pero si es asimétrico ($\mathrm{HBr}$, $\mathrm{H_2O}$) y el alqueno también lo es, hay dos productos posibles. Al tratar propeno con $\mathrm{HBr}$ casi todo es 2-bromopropano. ¿Por qué elige siempre un carbono?
Adición a alquinos
Un triple enlace tiene dos enlaces $\pi$, así que puede adicionar dos veces. Con $\mathrm{H_2}$ y Ni el alquino pasa a alqueno y luego a alcano. Con $\mathrm{HX}$, la segunda adición también sigue Markovnikov.
Practica★☆☆Sin empezar
El propeno ($\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$) experimenta una reacción de adición electrófila al tratarse con agua en presencia de ácido sulfúrico diluido como catalizador,…
El propeno ($\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$) experimenta una reacción de adición electrófila al tratarse con agua en presencia de ácido sulfúrico diluido como catalizador, siguiendo la regla de Markovnikov (el protón se adiciona preferentemente al carbono con mayor número de hidrógenos).
a) Formule y nombre el reactivo de partida y el producto orgánico mayoritario obtenido en esta hidratación.
b) Justifique razonadamente por qué no se obtiene de forma mayoritaria el propan-1-ol.
Al calentar vinagre concentrado (ácido etanoico) con etanol y unas gotas de ácido sulfúrico, el olor penetrante desaparece y aparece un aroma frutal. Se ha formado un éster. Esta reacción une dos familias, un ácido carboxílico y un alcohol, y libera agua.
Ampliación: saponificación y equilibrio
La saponificación es la hidrólisis de un éster con una base fuerte. Con $\mathrm{NaOH}$ se obtiene un alcohol y la sal sódica del ácido, no el ácido libre. Es la reacción con la que se hace el jabón artesanal a partir de grasas.
La hidrólisis básica o saponificación del acetato de etilo, $\mathrm{CH_3-COO-CH_2-CH_3}$, consume una base fuerte. a) Formula la ecuación molecular de su reacción con…
La hidrólisis básica o saponificación del acetato de etilo, $\mathrm{CH_3-COO-CH_2-CH_3}$, consume una base fuerte. a) Formula la ecuación molecular de su reacción con disolución acuosa de hidróxido de sodio y nombra los dos productos orgánicos obtenidos, uno de ellos en forma de sal. b) Se tratan $17.6\,\mathrm{g}$ del éster con $250\,\mathrm{mL}$ de $\mathrm{NaOH}$ $1.00\,\mathrm{mol}\times\mathrm{L}^{-1}$. Identifica el reactivo limitante y calcula la masa de acetato de sodio aislada si el rendimiento respecto al máximo estequiométrico es del $85.0\,\%$. Datos: masas atómicas relativas, C = 12.0; H = 1.0; O = 16.0; Na = 23,0.
Los alcoholes se oxidan con agentes como el dicromato de potasio ($\mathrm{K_2Cr_2O_7}$) o el permanganato ($\mathrm{KMnO_4}$) en medio ácido. El resultado depende de cuántos H tenga el carbono que lleva el $\mathrm{OH}$.
Practica★★☆Sin empezar
El comportamiento químico de un alcohol primario frente a un agente oxidante enérgico como el dicromato de potasio en medio ácido depende de las condiciones…
El comportamiento químico de un alcohol primario frente a un agente oxidante enérgico como el dicromato de potasio en medio ácido depende de las condiciones experimentales empleadas. Observe el siguiente esquema de transformación
a) Identifique razonadamente las fórmulas semidesarrolladas y los nombres sistemáticos de los productos orgánicos $\mathrm{A}$ y $\mathrm{B}$.
b) Justifique por qué la destilación inmediata del medio permite aislar selectivamente el compuesto $\mathrm{A}$, mientras que el reflujo prolongado con oxidante en exceso conduce a $\mathrm{B}$.
Un halogenuro de alquilo ($\mathrm{R{-}X}$) puede reaccionar con una base como el $\mathrm{OH^-}$ de dos maneras.
Practica★☆☆Sin empezar
Los halogenuros de alquilo pueden experimentar transformaciones selectivas según la naturaleza del reactivo y el disolvente empleado. a) Escriba la ecuación ajustada de…
Los halogenuros de alquilo pueden experimentar transformaciones selectivas según la naturaleza del reactivo y el disolvente empleado.
a) Escriba la ecuación ajustada de la reacción de sustitución nucleófila entre el 1-bromopropano ($\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2Br}$) y una disolución acuosa diluida de hidróxido de sodio a temperatura moderada, nombrando el producto orgánico formado.
b) Indique la estructura semidesarrollada y el nombre del producto que se obtendría si se somete el propeno formado en una reacción secundaria a una hidrogenación catalítica con $\mathrm{H_2}$ en presencia de níquel.
Para fabricar un compuesto se encadenan varias reacciones. En cada etapa se pierde algo, así que el rendimiento indica cuánto producto real se obtiene respecto al máximo teórico.
Practica★★★Sin empezar
Se desea sintetizar propanona en el laboratorio mediante una secuencia de dos etapas a partir de propeno. En la etapa 1, el propeno se hidrata en presencia de ácido…
Se desea sintetizar propanona en el laboratorio mediante una secuencia de dos etapas a partir de propeno. En la etapa 1, el propeno se hidrata en presencia de ácido sulfúrico acuoso según la regla de Markovnikov rindiendo un alcohol secundario como producto mayoritario. En la etapa 2, dicho alcohol se purifica y se oxida con dicromato de potasio en medio ácido para obtener propanona.
a) Formule las ecuaciones de ambas etapas, clasificando razonadamente cada reacción según el tipo de proceso orgánico (adición, sustitución, eliminación, oxidación-reducción).
b) Si se parte de $84.0\,\text{g}$ de propeno y la etapa 1 posee un rendimiento del $75.0\,\%$ mientras que la etapa 2 rinde un $80.0\,\%$, calcule la masa final de propanona pura obtenida. Masas atómicas: $\mathrm{C}=12.0$; $\mathrm{H}=1.0$; $\mathrm{O}=16.0$.
Se diseña una ruta de tres etapas consecutivas para sintetizar acetato de etilo a partir de eteno ($\mathrm{CH_2=CH_2}$): Etapa 1: Hidratación ácida de eteno para…
Se diseña una ruta de tres etapas consecutivas para sintetizar acetato de etilo a partir de eteno ($\mathrm{CH_2=CH_2}$):
Etapa 1: Hidratación ácida de eteno para obtener etanol con un rendimiento del $80.0\,\%$.
Etapa 2: Oxidación enérgica con reflujo de la mitad de los moles de etanol obtenidos en la etapa 1 mediante $\mathrm{KMnO_4/H^+}$ en exceso hasta ácido acético, con un rendimiento del $90.0\,\%$.
Etapa 3: Condensación (esterificación de Fischer) entre el ácido acético obtenido en la etapa 2 y la otra mitad de etanol reservada de la etapa 1.
a) Escriba las ecuaciones de las tres etapas indicando condiciones y catalizadores habituales.
b) Si se inicia el proceso con $112\,\text{g}$ de eteno y el rendimiento de la esterificación final (etapa 3) respecto al reactivo limitante es del $70.0\,\%$, calcule la masa de acetato de etilo obtenida. Masas atómicas: $\mathrm{C}=12.0$; $\mathrm{H}=1.0$; $\mathrm{O}=16.0$.
Vuelva al principio: el propano del cilindro de gas arde con oxígeno y da $\mathrm{CO_2}$ y agua: es combustión. Para pasar de un alqueno a un éster, se hidrata el eteno para obtener etanol (adición), se oxida con $\mathrm{KMnO_4}$ hasta ácido etanoico (oxidación) y se calienta con otra porción de etanol y ácido sulfúrico para obtener etanoato de etilo (esterificación).
Resumen
¡A practicar! 2 ejercicios de nivel medio en este apartado