Quimica14 Compuestos Oxigenados de La Química Del Carbono

Compuestos oxigenados de la Química del Carbono

14.- COMPUESTOS OXIGENADOS DE LA QUÍMICA DEL CARBONO

14.1.- Introducción. ................................................................................. 340

14.2.- Alcoholes. .................................................................................... 34014.2.1.- Estructura y nomenclatura. ........................................................... 34014.2.2.- Propiedades físicas. ..................................................................... 34114.2.3.- Reacciones químicas. ................................................................... 342

14.3.- Aldehídos y cetonas. ..................................................................... 34414.3.1.- Estructura y nomenclatura. .......................................................... 34414.3.2.- Propiedades físicas. ...................................................................... 34614.3.3.- Reacciones químicas. .................................................................... 34614.3.4.- Aldehídos y cetonas de especial importancia. ................................. 348

14.4.- Ácidos carboxílicos. ..................................................................... 34814.4.1.- Estructura. ................................................................................... 34814.4.2.- Propiedades físicas. ...................................................................... 34814.4.3.- Nomenclatura. ............................................................................... 34914.4.4.- Reacciones químicas. ..................................................................... 35014.4.5.- Algunos ácidos carboxílicos importantes. ...................................... 351

14.5.- Ésteres. .......................................................................................... 35114.5.1.- Estructura y nomenclatura. ............................................................. 35114.5.2.- Reacciones químicas de los ésteres. ................................................ 352

14.6.- Éteres. ........................................................................................... 35314.6.1.- Estructura y nomenclatura. ........................................................... 35314.6.2.- Algunos éteres importantes. ......................................................... 354

14.7.- Problemas y cuestiones. ................................................................ 355

339

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14.1.- Introducción.

Los compuestos oxigenados orgánicos son numerosos puesto que el átomo de oxígeno, dada su estructura, permite una gran variedad de enlaces y posibilidades de combinación.

Según sean los grupos funcionales en los cuales está presente el oxígeno, los compuestos oxigenados se clasifican en alcoholes (R-OH), fenoles (Ar-OH), aldehídos (R-CHO), cetonas (R-CO-R'), ácidos carboxílicos (R-COOH), ésteres (R-COOR') y éteres (R-O-R').

Las propiedades de cada uno de estos grupos son totalmente diferentes y en este tema pretendemos dar únicamente una introducción a cada uno de ellos, destacando su nomenclatura, características y reacciones más importantes.

14.2.- Alcoholes.

14.2.1.- Estructura y nomenclatura.

Se denomina alcohol a toda aquella sustancia que posea un grupo oxidrilo (OH) unido directamente a un átomo de carbono. Pueden clasificarse en:

a) Alcoholes primarios: Se caracterizan porque el carbono unido al grupo -OH está en un extremo de la cadena:

Se nombran igual que el hidrocarburo del que provienen pero con la terminación -ol. Si el alcohol no es la función principal, se nombran con el prefijo hidroxi- con la numeración correspondiente, por ejemplo:

b) Alcoholes secundarios: La función alcohol está en un carbono secundario:

y, de la misma manera que antes, si la función alcohol no es la principal:

(recuerda que hay que nombrar los sustituyentes por orden alfabético)

340


c) Alcoholes ternarios: La función alcohol está en un carbono ternario.

d) Alcoholes aromáticos: Los compuestos que llevan el grupo -OH sobre anillos bencénicos monocíclicos y bicíclicos se llaman respectivamente fenoles y naftoles. Por ejemplo:

14.2.2.- Propiedades físicas.

Los alcoholes de menos número de carbono son solubles en agua debido a la polaridad del grupo oxidrilo:

al ir aumentando el peso molecular, la solubilidad va disminuyendo, dado que el resto de la cadena no es polar (por la escasa diferencia de electronegatividad que hay entre el C y el H y la simetría de los enlaces tal y como se comentó en el tema anterior).

El punto de ebullición va aumentando a medida que aumenta el número de átomos de carbono de la cadena. Los alcoholes de menos átomos de carbono (metanol, etanol), tienen puntos de ebullición anormalmente altos debido a los enlaces por puentes de hidrógeno:

341


14.2.3.- Reacciones químicas.

En los alcoholes podemos distinguir dos tipos de enlaces:

el enlace R-O y el enlace O-H. Según cuál de los dos se rompa dará lugar a tipos diferentes de reacciones:

a) Rotura del enlace O - H : Es el caso menos frecuente. Se produce en presencia de un metal alcalino obteniéndose un compuesto iónico denominado alcóxido. Por ejemplo:

al CH3ONa se le llama metóxido sódico.

b) Rotura del enlace R - O : Hay varios tipos de ellas. Por ejemplo:

i) Sustitución:

es una reacción muy empleada para la obtención de derivados halogenados.

ii) Reacciones de deshidratación en las que se pierde agua durante el proceso:

los agentes deshidratantes más utilizados son el ácido sulfúrico (H2SO4), el bisulfato sódico (NaHSO4) y el ácido fosfórico (H3PO4).Un ejemplo concreto puede ser:

342


c) Reacciones de oxidación con agentes inorgánicos como el ion permanganato o el ion dicromato:

MnO4- , Cr2O7

-2

con alcoholes primarios se obtiene el ácido correspondiente (pasando por el aldehído como producto intermedio):

y si el alcohol es secundario, se obtiene la cetona correspondiente:

Si el alcohol es ternario, no se produce la reacción en condiciones normales:

d) Reacciones de obtención de alcoholes:

i) Hidrólisis de halogenuros de alquilo: Esta reacción se produce en presencia de catalizadores básicos:

ii) Hidratación de alquenos: Estas reacciones están catalizadas por ácidos:

en esta ejemplo, da igual, pero recuerda que, aplicando la regla de Marcownikoff, el grupo OH se une al carbono más sustituido.

343


iii) Fermentación de líquidos azucarados: Por ejemplo, el etanol o alcohol etílico (que es el "alcohol" del lenguaje vulgar), constituyente embriagante de las bebidas alcohólicas, se obtiene por la fermentación de azúcares por la acción de levaduras:

14.3.- Aldehídos y cetonas.

Son compuestos orgánicos que tienen un carbono unido con un doble enlace a un oxígeno (grupo carbonilo). Si el carbono es terminal será un aldehído y si es un carbono secundario, será una cetona.


a) Los aldehídos tienen la siguiente estructura:

si se escribe la fórmula semidesarrollada, los aldehídos se escriben como R-CHO, con el oxígeno al final, para diferenciarlos mejor de los alcoholes (R-OH).

Se nombran igual que el hidrocarburo del que provienen pero con la terminación -al. Por ejemplo:

(recuerda que hay que nombrar los sustituyentes por orden alfabético)

344


b) Las cetonas tienen la siguiente estructura:

Se nombran con la terminación -ona e indicando el número del carbono que posee ese doble enlace con el oxígeno. Por ejemplo:

se puede comprender fácilmente que no hay cetonas con un número de carbonos inferior a tres:

observa en este compuesto no es necesario especificar en qué carbono está ubicado el carbono que está unido al oxígeno (grupo carbonilo), debido a que si estuviese en los carbonos terminales no sería una cetona y si se sitúa en cualquiera de los dos compuestos intermedios los compuestos resultantes son idénticos.

En casos complejos en los que haya otra función principal, la cetona (o el aldehído) se puede nombrar como sustituyente utilizando la partícula -oxo. Por ejemplo:

Por otra parte, el nombre vulgar de una cetona está formado por el sufijo cetona y los prefijos de los nombres de los grupos alquilo a los que está unido el grupo carbonilo en orden alfabético. Por ejemplo:

345


14.3.2- Propiedades físicas.

Los aldehídos y las cetonas son compuestos generalmente líquidos si tienen bajo peso molecular. En este caso se disuelven muy bien en agua debido a la polaridad del enlace del grupo carbonilo.


a) Reacciones de obtención: Como ya hemos comentado, los aldehídos y las cetonas se obtienen por oxidación de alcoholes catalizado por agentes químicos:

i) si el alcohol es primario se obtiene el aldehído correspondiente:

recordemos que en este tipo de reacciones también se puede obtener el ácido correspondiente.

ii) si el alcohol es secundario se obtiene la cetona correspondiente:

iii) Los alcoholes ternarios no presentan este tipo de reacciones.

b) Reacciones de adición: Consisten en el ataque al grupo carbonilo (-C=O) por parte de un reactivo nucleófilo, generalmente un anión, por ejemplo:

se rompe el doble enlace del oxígeno, uniéndose el oxígeno al hidrógeno y el carbono al resto del grupo. Otro ejemplo sería:

346


c) Reacciones de condensación: se verifican en presencia de un catalizador básico fuerte:

d) Reacciones oxidación - reducción : Se observan diferencias entre los aldehídos y las cetonas.

i) Mientras que las cetonas son bastante estables a la oxidación:

ii) los aldehídos son fácilmente oxidables a ácidos debido a que los aldehídos son buenos reductores:

Esto sirve para diferenciar los aldehídos de las cetonas, y la prueba de Tollens se basa en esta propiedad. Dicha prueba consiste en mezclar el aldehído con una disolución de nitrato de plata en amoniaco (formándose un complejo de plata amoniacal cuya fórmula es (Ag(NH3)2)+):

el aldehído se oxida a ácido y la plata se reduce a metal (apareciendo un espejo de plata en las paredes del tubo de ensayo donde se verifica la reacción). Dicha reacción no se produce con las cetonas.

iii) En contrapartida, la reducción es sencilla tanto para aldehídos como para cetonas utilizando hidrógeno y un catalizador (platino).

los aldehídos se reducen a alcohol primario y las cetonas se reducen a alcohol secundario.

347


14.3.4.- Aldehídos y cetonas de especial importancia.

a) el metanal o formaldehído : También llamado vulgarmente formol se utiliza como antiséptico, como punto de partida para la fabricación de otros compuestos orgánicos y para la preparación de resinas sintéticas.Las disoluciones de formol también se utilizan para conservar y endurecer muestras de tejidos y órganos.Como gas también se emplea para desinfectar habitaciones y locales, ya que destruye formas de vida inferiores.

b) La propanona o acetona : Es un líquido incoloro de olor agradable miscible totalmente en agua, metanol y éter etílico. Se utiliza principalmente como disolvente de muchas sustancias orgánicas (pinturas, esmaltes, etc.).

14.4.- Ácidos carboxílicos.

14.4.1.- Estructura.

Se caracterizan por tener un grupo llamado carboxilo (-COOH). Su estructura es:

14.4.2.- Propiedades físicas.

Los ácidos de pocos átomos de carbono son solubles en agua y poseen un olor desagradable. Los de más bajo peso molecular tienen puntos de ebullición elevados comparados con los que poseen otras sustancias de peso molecular parecido debido a los enlaces por puente de hidrógeno, que hasta incluso hacen que las moléculas de ácido se puedan dimerizar:

Son, por lo general, ácidos débiles, debido a la facilidad que tienen para desprender

protones:

y el anión presenta una estructura resonante en la que los dos enlaces C-O son iguales:

Dicha acidez disminuye a medida que aumenta su peso molecular. Observa los pKa

que se dan en la tabla del punto 14.4.3.

348


14.4.3.- Nomenclatura.

Los ácidos de más bajo peso molecular poseen nombres característicos muy arraigados que se utilizan con mucha frecuencia:

Fórmula Nombre pKa

HCOOH Ac. fórmico 3'75CH3 - COOH Ac. acético 4'75

CH3 - CH2 - COOH Ac. propiónico 4'87CH3 - CH2 - CH2 - COOH Ac. butírico 4'81

La IUPAC recomienda nombrarlos con la palabra ácido delante y la terminación -oico. La cadena principal no tiene porque ser la más larga sino aquella que contiene al grupo carboxilo, y el carbono de este grupo es el numerado como "1" a la hora de nombrar los posibles sustituyentes. Por ejemplo:

Los grupos carboxilo, es evidente que sólo pueden situarse en carbonos terminales, por lo que si en una misma molécula hay dos grupos ácido, no es necesario especificar dónde se encuentran:

También los grupos carboxílicos pueden unirse a grupos arómaticos. Uno de los más importantes es el llamado ácido benzoico (C6H5COOH):

349



a) Reacciones de formación de ácidos: Por oxidación de alcoholes primarios y/o aldehídos. Los agentes oxidantes químicos convierten a los alcoholes primarios en aldehídos y éstos últimos se oxidan fácilmente a ácidos:

b) Reacciones de neutralización:

c) Reacciones de formación de ésteres: Se pueden catalogar también como reacciones de neutralización actuando el alcohol como una base:

d) Formación de cloruros de ácido:

350


e) Reacciones de deshidratación:

Dos moléculas de ácido pierden agua cuando se les somete a fuerte calefacción dando lugar a lo que se denomina un anhídrido:

f) Reacciones de reducción:

El tratamiento de un ácido con ciertos agentes reductores (como los hidruros metálicos complejos), conduce al alcohol primario correspondiente:

11.4.5.- Algunos ácidos carboxílicos importantes.

a) Ácido fórmico (HCOOH): Se encuentra en las hormigas y en las ortigas. El dolor de las picaduras de abejas, avispas, medusas, pólipos etc. es debida a dicho ácido.

b) Ácido acético (CH3-COOH): Es muy importante industrialmente ya que se emplea para obtener acetato de celulosa, que se utiliza para la producción de películas fotográficas y cinematográficas ininflamables, vidrio inastillable, lacas y barnices. También es el responsable de la acidez del vinagre.

14.5.- Ésteres.


Los ésteres tienen la siguiente estructura:

351


Son la unión de un ácido con un alcohol:

Se nombran citando primero la raíz del ácido cambiando su terminación por el sufijo -ato y a continuación el nombre del radical correspondiente al alcohol. Por ejemplo:

Los ésteres son compuestos muy difundidos en la naturaleza. Los que provienen de ácidos con pocos átomos de carbono forman parte de las esencias de flores y frutas, y son los responsables de su aroma.

Así, el acetato de isoamilo se encuentra en el plátano, el butirato de amilo en el albaricoque, el acetato de etilo en la piña tropical etc.

Los ésteres de los ácidos alifáticos lineales de cadena larga constituyen los aceites, grasas y ceras que tanto abundan en los reinos animal y vegetal.

14.5.2.- Reacciones químicas de los ésteres.

La única reacción importante de los ésteres es su hidrólisis en medio básico.

a) con agua para dar el ácido y el alcohol correspondiente:

como puedes observar, es la reacción inversa a la formación de ésteres, ya que son reacciones de equilibrio.

352


b) con álcalis para dar la sal y el alcohol correspondiente:

Un ejemplo particular de este tipo de reacciones es la llamada saponificación de grasas. Dicho proceso consiste en la reacción de hidrólisis de grasas (que son, como ya hemos indicado, poliésteres) con álcalis fuertes, para la producción de ácidos grasos y jabón (sal sódica). Por ejemplo:

14.6.- Éteres.


Los éteres constituyen una clase de compuestos oxigenados formados por dos radicales hidrocarburos que se unen a través de un átomo de oxigeno:

El nombre "vulgar" de los éteres consiste en nombrar cada uno de los radicales a los que está unido el oxígeno en orden alfabético, seguido con la terminación -éter. Si los dos radicales son idénticos (éteres simétricos), no es necesario indicar los dos radicales. Por ejemplo:

353


Según la IUPAC, se construye el nombre del éter considerando

1. El grupo más sencillo unido al oxígeno es el grupo alcóxido que se nombra igual que el hidrocarburo del que provine terminado en -oxi. Los más sencillos son:

Grupo GrupoCH3 - O - metoxilo

CH3 - CH2 - O - etoxiloCH3 - CH2 - CH2 - O - propoxilo

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - O - butoxiloC6H5 - O - fenoxilo

2. Nombre del sustituyente más complejo indicando con un número la posición del carbono unido directamente al oxígeno:

14.6.2.- Algunos éteres importantes.

El éter etílico, dietiléter o simplemente éter (CH3-CH2-O-CH2-CH3) se utiliza como disolvente y como anestésico general completamente satisfactorio. Sin embargo a causa de sus efectos irritantes, hoy en día se utiliza mucho menos que antes con este fin.

354


14.7.- Problemas y cuestiones.

665.- Formula los siguientes compuestos orgánicos oxigenados según las reglas de la IUPAC:

a) 2-metil-1,4-pentanodiol x) Metoxi-1-metiletanob) 1,2,3-propanotriol (glicerina) y) Etoxipropano (etilpropiléter)c) 4,4-dimetil-1-pentanol z) 2-metoxi-4-oxahexanold) 3-buten-1,2-diol aa) Etoxibenceno (etilfeniléter)e) 4-hexen-2-lo ab) Etoxiciclobutano (ciclobutiletiléter)f) 2-propen-1-ol ac) Metoxobenceno (Fenilmetiléter)g) 2-etil-2-buten-1-ol ad) ácido acético (ácido etanoico)h) propanona ae) ácido 2-metilpropanoicoi) 3-metil-2-butanona af) ácido etanodioicoj) 4-metil-2-pentanona ag) ácido 3-metilbutanoicok) 1,5-hexadien-3-ona ah) ácido 2-butenodioicol) 4-fenil-2-butanona ai) ácido pentanoicoll) 5-etil-5-hexen-2,4-diona aj) ácido 2,3-dioxobutanodioicom) 3-pentin-2-ona ak) ácido 2-hidroxipropanoicon) 3,4-dihidroxi-2-butanona al) ácido 2,3-dihidroxibutanodioicoñ) 3-oxobutanal all) ácido 2-hidroxibutanodioicoo) butanal am) Propanoato de metilop) 3-hidroxibutanal an) Etanoato de etiloq) 2-hidroxibutanodial añ) Etanoato de sodio (acetato sódico)r) 2-etil-5-metil-4-hexenal ao) 2-metilpropanoato de etilos) 4-hexen-2-in-al ap) 2-metilpropanoato de 1-metiletilot) 4-penten-2-in-al aq) Metanoato de 2-metilpropilou) 3-metil-3-pentenal ar) Metanoato de etenilov) 2,2-dimetilpropanodial as) Etanoato de sodiow) Dietiléter (éter etílico) at) 2,3-dimetilbutanoato de 1-etilpropilo

666.- Un compuesto orgánico contiene solamente C,H y O. Cuando se queman completamente con oxígeno 0'2035 gr de dicho compuesto se obtienen 0'484 gr de dióxido de carbono y 0'2475 gr de agua. Un litro de dicho compuesto en estado gas, tiene la misma masa que 37 litros de H2, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura.a) Halla la fórmula molecular de dicho compuestob) Escribe dos fórmulas diferentes de dicho compuesto y nómbralas correctamente.

667.- Escribe la fórmula estructural desarrollada de todos los alcoholes de fórmula molecular C4H10O y nómbralos correctamente según la IUPAC.Indica cuáles los sus productos de oxidación de dichos alcoholes nombrándolos también correctamente.

668.- Escribe tres reacciones representativas del grupo carboxílico, indicando los productos que en ellas se obtienen.

355


669.- Nombra según la IUPAC todos los compuestos orgánicos oxigenados que a continuación se relacionan:

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

i)

j)

k)

l)

m)

356


n)

ñ)

o)

p)

q)

r)

s)

t)

u)

v)

w)

357


x)

y)

z)

aa)

ab)

ac)

ad)

ae)

af)

ag)

ah)

ai)

aj)

358


ak)

al)

am)

an)

añ)

ao)

ap)

aq)

ar)

as)

at)

359


au)

av)

aw)

ax)

ay)

az)

ba)

bb)

670.- Describe con detalle la forma de diferenciar aldehídos y cetonas.

671.- Describe tres reacciones diferentes de la función alcohol.

672.- Un compuesto tiene de fórmula empírica C3H8O. Escribe las fórmulas desarrolladas de todos los compuestos con dicha fórmula así como procesos químicos para diferenciarlos entre sí.

673.- En una práctica de laboratorio se estudian algunas reacciones de compuestos orgánicos oxigenados. a) Explica la oxidación del etanol con dicromato de potasio en medio ácido y explica cómo se reconocen los productos intermedios y final de reacción. b) Escribe la reacción de esterificación del alcohol etílico con ácido acético en presencia de ácido sulfúrico.

360


674.- a) Escribe la fórmula del 2-propanol y del 1-butanol. Explica el distinto comportamiento de ambos compuestos frente a oxidantes. b) Escribe dos reacciones características del grupo carboxilo.

675.- Cada uno de los siguientes compuestos: 2-propanol, 2,3-dibromoetano, butano, puede prepararse a partir de un alqueno. Da el nombre del alqueno elegido y escribe las reacciones correspondientes para la preparación de los compuestos citados.

676.- Formula los siguientes compuestos orgánicos oxigenados según las reglas de la IUPAC:a) 4,5-dimetil-1-hexeno; b) 4-hidroxi-2-pentanona; c) ácido 2-clorobutanoico; d) 3-metil-1-butanol; e) metilpropanal; f) 4-etil-4-metil-2-hepteno; g) ácido 2-metil-3-pentanoico; h) 2-metil-4-etilfenol; i) 3-etil-4-hidroxipentanal. j) etil-metil-cetona

677.- Se tienen tres compuestos A, B y C. Se sabe que uno de ellos es ácido acético, otro es acetaldehído y el tercero, alcohol etílico. a) Se observa que A reacciona con B para dar un éster; por otra parte, en disolución acuosa, B tiene carácter ácido. Identifica A, B y C. b) Formula los tres compuestos y la reacción de formación del éster.

678.- Describe dos métodos de obtención de ácido acético.

679.- Explica brevemente por qué el alcohol etílico es más soluble en agua que el etano.

680.- Escribe las reacciones correspondientes a la transformación del alcohol etílico en: a) Eteno b) Etanal c) Éter etílico.

681.- Nombra los siguientes compuestos: a) CH2 = CH - CH2 - CH(CH3) - CH(CH3) - CH3 b) CH3 - CH2 – CHOH - CHO c) CH3-CH2 - CH2 - CH2 - CH3 d) COOH - CH(CH3) - CH2 - CH2 - COOH

682.- Describe dos ensayos o reacciones que permitan diferenciar el butanal dela butanona.

683.- a) Nombra los siguientes alcoholes: (CH3)3COH , CH3-CH2-CH2OH, (CH3)2CHOH b) Cuál de ellos se utilizaría para obtener:

i. propanal. ii.dimetilcetona.

c) Escribir las reacciones correspondientes y proponer una reacción mediante la cuál se pueda diferenciar el propanal de la dimetilcetona.

684.- Describe la función alcohol. Escribe tres tipos de reacciones características de un alcohol.

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685.- ¿Qué es un éster? Escribe una reacción de esterificación y una reacción de saponificación.

686.- Define una grasa desde el punto de vista de su composición química. ¿Qué tipos de substancias se emplean para disolver las grasas?

687.- ¿Qué son los jabones? ¿Cómo se obtienen los jabones a partir de las grasas naturales?

362

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