Principales reacciones orgánicas
En una finca de Chinandega, el jugo de la caña de azúcar se fermenta y produce alcohol. Si ese alcohol se deja expuesto al aire, con el tiempo se vuelve agrio y se convierte en vinagre. El etanol (un alcohol) se transformó en ácido etanoico (un ácido). ¿Qué reacción ocurrió? ¿Se puede pasar de un alcohol a un ácido y luego a una sustancia con aroma a fruta? En esta página verás los tipos de reacción que explican esas transformaciones.
Combustión de hidrocarburos y alcoholes
La combustión es la reacción de una sustancia con el oxígeno, con liberación de calor y a veces de luz. Es una reacción exotérmica y una oxidación: el $\mathrm{O_2}$ es el agente oxidante. Así funciona la cocina de gas LP (propano y butano) y también la de leña.
Si hay suficiente oxígeno, la combustión completa de un compuesto de C, H (y O) produce siempre $\mathrm{CO_2}$ y $\mathrm{H_2O}$. Con poco oxígeno la combustión es incompleta y se forman $\mathrm{CO}$ (monóxido de carbono, muy tóxico) y hollín (carbono).
Cuando el gas no está en condiciones normales, se usa $PV = nRT$ con $R = 0.082\ \text{atm}\cdot\text{L/(mol}\cdot\text{K)}$ y la temperatura en kelvin ($T = °\text{C} + 273$).
La combustión completa de alcoholes genera dióxido de carbono y vapor de agua, liberando una notable cantidad de energía térmica. a) Escribe y ajusta mediante…
La combustión completa de alcoholes genera dióxido de carbono y vapor de agua, liberando una notable cantidad de energía térmica.
- a) Escribe y ajusta mediante coeficientes estequiométricos enteros la ecuación química de combustión completa del etanol ($\mathrm{CH_3-CH_2OH}$).
- b) Calcula 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 $R = 0.082\,\text{atm}\times\text{L}\times\text{mol}^{-1}\times\text{K}^{-1}$.
Reacciones de los hidrocarburos y de los halogenuros
Los hidrocarburos reaccionan de formas distintas según el tipo de enlace. En los alcanos (solo enlaces simples) lo habitual es la sustitución. En los alquenos y alquinos (enlaces dobles y triples) lo habitual es la adición.
Alcanos: halogenación (sustitución)
En una sustitución un átomo (o grupo) sale de la molécula y otro ocupa su lugar. Con luz o calor, un alcano reacciona con un halógeno y un H se sustituye por un halógeno:
$\mathrm{CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{luz} CH_3Cl + HCl}$
El producto es el clorometano, un halogenuro de alquilo (derivado halogenado). Con más $\mathrm{Cl_2}$ pueden sustituirse más hidrógenos.
Alquenos y alquinos: adición
En una adición se rompe uno de los enlaces del doble o triple enlace y se incorporan átomos a los dos carbonos, sin que salga ningún átomo. Hay cuatro adiciones frecuentes:
| Reactivo | Ejemplo | Producto |
|---|---|---|
| $\mathrm{H_2}$ (hidrogenación, con Ni o Pt) | $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3{-}CH_3}$ | etano |
| $\mathrm{X_2}$ (halogenación) | $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br{-}CH_2Br}$ | 1, 2-dibromoetano |
| $\mathrm{HX}$ (hidrohalogenación) | $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + HCl \rightarrow CH_3{-}CH_2Cl}$ | cloroetano |
| $\mathrm{H_2O}$ (hidratación, con $\mathrm{H_2SO_4}$) | $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2O \rightarrow CH_3{-}CH_2OH}$ | etanol |
Un alquino puede adicionar en dos etapas: $\mathrm{CH{\equiv}CH + H_2 \rightarrow CH_2{=}CH_2}$, y luego $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3{-}CH_3}$. El $\mathrm{Br_2}$ disuelto en agua tiene color pardo-rojizo. Si se decolora al agregarlo a una muestra, esta tiene enlaces dobles o triples.
Polimerización
Muchas moléculas de alqueno pueden unirse en una cadena larga. Con el eteno se obtiene el polietileno, el plástico de las bolsas y las botellas: $\mathrm{n\ CH_2{=}CH_2 \rightarrow (-CH_2{-}CH_2-)_n}$. Es una adición repetida miles de veces.
Halogenuros de alquilo: sustitución y eliminación
Los halogenuros de alquilo pueden experimentar transformaciones selectivas según la naturaleza del reactivo y el disolvente empleado. a) Escribe la ecuación ajustada de…
Los halogenuros de alquilo pueden experimentar transformaciones selectivas según la naturaleza del reactivo y el disolvente empleado.
- a) Escribe 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) Indica 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.
Oxidación de alcoholes
Los alcoholes se oxidan con agentes oxidantes como el dicromato de potasio ($\mathrm{K_2Cr_2O_7}$) o el permanganato de potasio ($\mathrm{KMnO_4}$) en medio ácido. En la química orgánica, oxidar suele significar que la molécula gana oxígeno o pierde hidrógeno. El producto depende de la clase de alcohol, según los carbonos que tiene unidos el carbono del $\mathrm{OH}$.
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. Observa el siguiente esquema de transformación
- a) Identifica razonadamente las fórmulas semidesarrolladas y los nombres sistemáticos de los productos orgánicos $\mathrm{A}$ y $\mathrm{B}$.
- b) Justifica 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 $\mathrm{B}$.
Esterificación y saponificación
Si calientas ácido etanoico (vinagre) con etanol y unas gotas de ácido sulfúrico, el olor agrio del vinagre desaparece y aparece un aroma frutal. Se forma un éster. Muchos aromas de frutas y sabores artificiales son ésteres, y el etanoato de etilo se usa como solvente en quitaesmalte de uñas y pegamentos.
La esterificación es la reacción de un ácido carboxílico con un alcohol, con ácido sulfúrico como catalizador, para dar un éster y agua. Es reversible (⇌):
$\mathrm{R{-}COOH + R'{-}OH \rightleftharpoons R{-}COO{-}R' + H_2O}$
El nombre del éster se forma con el del ácido (terminado en «-ato») y el del grupo del alcohol: etanoico + etanol → etanoato de etilo.
La saponificación es la reacción de un éster con una base fuerte (como $\mathrm{NaOH}$): da un alcohol y la sal del ácido. Así se hace el jabón artesanal (grasa + soda cáustica):
$\mathrm{CH_3{-}COO{-}CH_2{-}CH_3 + NaOH \rightarrow CH_3{-}COONa + CH_3{-}CH_2OH}$
Los productos son etanoato (acetato) de sodio y etanol.
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.
Rendimiento y síntesis en varias etapas
Un compuesto se puede obtener de otro en varias etapas. En la práctica casi nunca se obtiene la cantidad máxima teórica. El rendimiento compara lo obtenido con lo máximo posible:
$$\text{rendimiento} = \frac{\text{cantidad real}}{\text{cantidad teórica}} \times 100\,\%$$En una síntesis de varias etapas, la cantidad que sale de una etapa es la que entra a la siguiente, y los rendimientos se multiplican.
Como la esterificación es un equilibrio, el rendimiento se calcula con la constante $K_c$:
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) Formula 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 $80.0\,\%$, calcula 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) Escribe 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 $70.0\,\%$, calcula la masa de acetato de etilo obtenida. Masas atómicas: $\mathrm{C}=12.0$; $\mathrm{H}=1.0$; $\mathrm{O}=16.0$.
Vuelve al principio: el etanol de la caña se oxida (primero a etanal y luego a ácido etanoico) y se forma el vinagre. Si ese ácido se calienta con más etanol y catalizador ácido, se forma etanoato de etilo, un éster de aroma frutal.