[Química 2º Bachillerato] Ejercicios + Soluciones: Propiedades e importancia de los compuestos del...

19/Propiedades e importancia de los compuestos del carbono

Propiedades e importanciade los compuestos del carbono 9

Química

Indica la estructura del eteno y formula dos de sus reacciones químicas características.

• Para la estructura del eteno, véase la página 88 del libro del alumno. En cualquier caso, se indi-cará la forma ción de una hibridación sp2 en los átomos de carbono, que permite establecer eldoble enlace, y la de los enlaces σ, CUH y el doble enlace, σ y π, CUC. Se explicará la geometríaplana de la molécula condicionada por el doble enlace y la hibridación sp2 del carbono y la impo-sibilidad de rotación que presenta el doble enlace, hecho que conduce a la formación de isóme-ros cis-trans en los compuestos derivados del eteno por sustitución de los hidrógenos.

• En cuanto a las reacciones características (véanse las páginas 328 y 329 del libro del alumno), sepueden proponer las reacciones de adición al doble enlace, tanto de reactivos simétricos comoasimétricos. Por ejem plo, la halogenación y la adición de halogenuros de hidrógeno:

CH2uCH2 + Cl2 CH2ClUCH2Cl

CH2uCH2 + HCl CH2ClUCH3

• Es destacable, por su importancia, la polimerización del eteno, o etileno, con formación de polie-tileno:

nCH2uCH2 + HCl ...UCH2UCH2UCH2UCH2UCH2UCH2U...

Explica, ilustrando tus comentarios con algún ejemplo, a qué productos puede conducir la oxidación de un alcohol,poniendo de manifiesto las diferencias entre alcoholes primarios, secundarios y terciarios.

La oxidación de un alcohol conduce, en primera instancia, a la formación del derivado carbonílico(aldehído o cetona) y, finalmente, a la del ácido carboxílico. El que la oxidación se detenga en unou otro estadio depende del reactivo oxidante utilizado. Con oxidantes fuertes (KMnO4, por ejem-plo), la oxidación prosigue hasta la formación de ácido, lo cual no ocurre con oxidantes de menorpoder (CrO3 en piridina, por ejemplo).

Si el alcohol es primario, por ejemplo el etanol:

CH3UCH2OH CH3UCHO CH3UCOOH

Con alcoholes secundarios, se producen cetonas en la primera fase de la oxidación. Si esta prosi-gue, se llega a la formación de ácidos carboxílicos por ruptura de la cadena carbonada, como, porejemplo, el 3-pentanol:

CH3UCH2UCHOHUCH2UCH3 CH3UCH2UCOUCH2UCH3

CH3UCH2UCOUCH2UCH3 CH3UCH2UCOOH + HOOCUCH3

En el caso de alcoholes terciarios, la oxidación es difícil, pero puede conseguirse previa deshidrata-ción del alcohol en un medio fuertemente ácido. Posteriormente, el alqueno formado por deshi-dratación se oxida hasta el derivado carbonílico:

Finalmente, tanto el aldehído como la cetona formados pueden oxidarse hasta los ácidos carboxí-licos correspon dientes o hasta CO2, en el caso de un fragmento de un solo C.

——CH3

CH3

HNO3 HNO3CH3—CH2—C—OH

CH3

CH3

——

CH3—CH——C ——CH3

CH3

CH3—CHO + O——C

K2Cr2O7

K2Cr2O7

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© Grupo Editorial Bruño, S. L.

CrO3/piridina

CrO3/piridina

BS_Quimica2Bac_09_PAU 3/4/09 08:03 Página 1

Química

2

Ordena los compuestos que se relacionan a conti nuación según sus puntos de ebullición crecientes, jus tificandola respuesta con arreglo a los diferentes tipos e intensidad de las fuerzas intermoleculares que se presentan encada caso:

a) Butano. c) 1-Butanol.

b) Pentano. d) Butanal.

El pentano y el butano son moléculas no polares, con enlaces también prácticamente apolares queno presentan más atracción intermolecular que la derivada de las fuerzas de Van der Waals. Seránlos compuestos con un punto de ebullición más bajo, algo mayor en el pentano debido a que sumasa molecular es mayor que la del butano.

A continuación se sitúa el butanal, pues su enlace CuO está fuertemente polarizado debido a ladiferencia notable de electronegatividades entre ambos átomos. Esta polarización facilita la inter-acción dipolo-dipolo de modo permanente.

Finalmente, el punto de ebullición mayor debe adjudicarse al 1-butanol, pues la presencia delgrupo UOH permite la existencia de enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas. Estosenlaces son más fuertes que los anteriores y, en consecuencia, el compuesto será menos volátil.

a) Define los conceptos de intermedio de reacción, reactivo nucleófilo y reactivo electrófilo.

b) Indica la estructura de los principales tipos de inter medios en química orgánica y especifica el carácter nucleó -filo o electrófilo de cada uno de ellos.

a) • Los intermedios de reacción son aquellas especies químicas procedentes de la ruptura de enla-ces que tienen un cierto tiempo de vida antes de transformarse en los productos definitivos dela reacción.

• Un reactivo nucleófilo es aquel que presenta pares de electrones no compartidos (base deLewis) y que ataca las zonas de baja densidad electrónica de los reactivos sustratos.

• Un reactivo electrófilo es aquel que presenta deficiencia de electrones o gran afinidad porellos, al poseer orbitales vacíos (ácido de Lewis), y que ataca las zonas de elevada densidadelectrónica de los reactivos sustratos.

b) Los intermedios de reacción pueden provenir de rupturas homolíticas (y se tratará de radicales)o heterolíticas (y serán carbocationes o carbaniones que tendrán carácter electrófilo o nucleófi-lo, respectivamente).

Explica los diversos tipos de enlace del átomo de carbono.

Se mencionarán los enlaces simples, dobles y triples del átomo de carbono, en función de la hibri-dación que presenta en cada caso (sp3, sp2 y sp). Se indicará la geometría implicada en cada caso yla posibilidad de que existan isómeros. En el caso de los dobles enlaces, se comentarán los sistemasde enlaces deslocalizados, como el benceno y otros compuestos aromáticos. Además de los ejem-plos de alcanos, alquenos y alquinos, se citarán también los dobles y triples enlaces que los átomosde carbono pueden establecer con otros átomos como los de oxígeno, azufre o nitrógeno.

Formula y nombra los isómeros que posean fórmula empírica C4H10O e indica el tipo de isomería al que pertenecen.

• Los posibles isómeros y sus nombres son:

• A: CH3UCH2UCH2UCH2OH, 1-butanol

• B: CH3UCH2UCHOHUCH3, 2-butanol

• C: CH3UCH(CH3)UCH2OH, metil-1-propanol

D: CH3UCOH(CH3)UCH3, metil-2-propanol

E: CH3UOUCH2UCH2UCH3, metil propil éter

F: CH3UCH2UOUCH2UCH3, dietil éter

G: CH3UOUCH(CH3)UCH3, metil isopropil éter

6

5

4

3



Química


• A y B son isómeros de posición; A y C, de cadena; A y E, de función. B (2-butanol) tiene isóme-ros ópticos (R-S) debido al carbono asimétrico.

Para los cinco siguientes compuestos:CH3UCH2UCOOHCH3UCH2UCH(NH2)UCH2UCH3

CH3UCH(NH2)UCH2UCH3

CH3UCHOHUCH3

CH3UCHOHUCH2UCH3

a) Explica si presentan isomería óptica.b) Dibuja las estructuras de los correspondientes isó meros.

a) Presentarán isomería óptica aquellos que tengan un carbono asimétrico, es decir, con cuatro sus-tituyentes distintos. En este caso se encuentran:

CH3UCH(NH2)UCH2UCH3 CH3UCHOHUCH2UCH3

2-Butilamina 2-Butanol

b) La representación convencional de sus isómeros R-S es:

Indica la fórmula molecular y qué grupo o grupos funcionales presenta cada uno de los siguientes compuestos:a) CH3UCOOH d) CH3UCHOHUCH3

b) CH3UCOUCH3 e) CH3UCHOHUCOOHc) CH3UCH2UCl f) CH3UCHOHUCHO

a)C2H4O2, ácido. d) C3H8O, alcohol.

b)C3H6O, cetona. e) C3H6O3, ácido y alcohol.

c) C2H5Cl, halogenuro. f) C3H6O2, aldehído y alcohol.

¿Qué producto da el benceno tratado con ácido nítrico? Escribe la reacción.

El benceno sufre nitración. Se trata de una reacción de sustitución electrófila catalizada por ácidosulfúrico que en reacción con el ácido nítrico facilita el verdadero agente nitrante, NO+

2:

Dada una molécula de triclorometano, explica:a) La hibridación del carbono.b) La formación de los enlaces CUH y CUCl.

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HNO3 + H2SO4 NO2– + HSO4

– + H2O

+ HNO3 H2OH2SO4

+ —NO2

2-(R)-Butanol 2-(S)-Butanol

H2C—CH3

H3COH

H

C—

—

H2C—CH3

H3CH

OH

C—

—


H2C—CH3

H3COH

H

C—

—

H2C—CH3

H3CH

OH

C—

—

9

8

2-(R)-Butilamina 2-(S)-Butilamina

H2C—CH3

H3CNH2

H

C—

—

H2C—CH3

H3CH

NH2

C—

—

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Química

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c) La polaridad de tales enlaces. Datos: las electronegatividades de Pauling son: H = 2,1; C = 2,5; Cl = 3,0.

a) La configuración electrónica del C en su estado fundamental es: 1s2 2s2 2p2.

En este estado electrónico, solo existen dos electrones desapareados para la formación de enla-ces covalentes. Al igual que en todos los compuestos de carbono tetravalente, se produce la pro-moción de un electrón 2s hasta los orbitales 2p, de modo que se dispone de cuatro electronesdesapareados para formar cuatro enlaces covalentes con otros átomos que aporten un electrón.Finalmente, para que los cuatro electrones enlazantes del C sean equivalentes, se produce unahibridación entre los tres orbitales 2p y el orbital 2s, resultando cuatro orbitales 2sp3 semillenosy dispuestos para el enlace.

b) En el CHCl3, el C forma cuatro enlaces: tres con sendos átomos de cloro y uno con un átomo dehidrógeno. Siguiendo la geometría impuesta por la hibridación sp3, la molécula de CHCl3 pre-senta una geometría tetraédrica en la que el átomo de C ocupa la posición central:

Los enlaces CUCl se forman al compartir dos electrones, uno situado en un orbital híbrido 2sp3

del C y otro perteneciente a un orbital 3p del Cl. La configuración electrónica de un átomo decloro en su estado funda mental es:

Cl: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

El enlace CUH se forma al compartir un electrón del C, situado en un orbital híbrido 2sp3, conel único electrón que posee el átomo de hidrógeno, situado en un orbital 1s.

c) La polaridad de los enlaces existe pero es pequeña, dado que también es escasa la diferencia de elec-tronegatividades entre los átomos que los forman. Esta diferencia es de 0,4 para el enlace CUH y de0,5 para el enlace CUCl. Debe tenerse en cuenta que un carácter iónico del 50% en el enlace suelecorresponder a una diferen cia de electronegatividades de 1,5 a 1,7 entre los átomos enlazados.

Si los cuatro enlaces fuesen iguales (como sería el caso del CH4 o del CCl4), el momento dipolarglobal de la molécula sería cero, pues se anularían los momentos dipolares de cada enlace porla geometría regular de la molécula. En el caso del CHCl3, se presenta un débil momento dipo-lar resultante.

Formula la reacción que se produce al tratar 2-butanol con ácido sulfúrico y justifica cuál será el producto mayo-ritario obtenido. Escribe los estereoisómeros correspondientes al compuesto de partida y a dicho producto mayo-ritario, especificando el tipo de isomería en cada caso.

Se produce deshidratación del alcohol. El producto mayoritario es el alqueno más sustituido:

CH3UCH2UCHOHUCH3 CH3UCH2UCHuCH2 + CH3UCHuCHUCH3

1-Buteno (minoritario) 2-Buteno (mayoritario)

El 2-butanol presenta isomería óptica R-S en el carbono 2, que es un C asimétrico, con cuatro sus-tituyentes distintos:


H2C—CH3

H3COH

H

C—

—

H2C—CH3

H3CH

OH

C—

—

H2SO4

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Cl

H ClCl

C—

—

� �� 2p2s

�� 2s� �

2p

��2sp3



Química


El 2-buteno presenta isomería geométrica cis-trans:

Formula la reacción del 2-cloropropano con NaOH acuoso. Explica brevemente los dos posibles mecanismosmediante los que puede tener lugar esta reacción.

• Se trata de una reacción de sustitución nucleófila que puede transcurrir a través de SN1 o de SN2.

CH3UCHClUCH3 + NaOH CH3UCHOHUCH3 + NaCl

• En la sustitución nucleófila SN1, la reacción transcurre en una sola etapa, de modo que, mientrasse fomenta el enlace entre el átomo de C y el nucleófilo entrante, HO−, se produce el debilita-miento y extinción del enlace con el nucleófilo saliente, el Cl−. En el caso de que el C afectadosea asimétrico, se produce una inversión de la configuración.

En cambio, en la SN2, se produce primero la eliminación del Cl− y, posteriormente, la entrada delOH− sobre el carbocatión.

CH3UCHClUCH3 CH3UB

CHUCH3 + Clv

CH3UB

CHUCH3 + OHv CH3UCHOHUCH3

¿Qué productos se obtienen en la oxidación de los aldehídos y las cetonas? Pon tres ejemplos.

La oxidación de compuestos carbonílicos conduce, en general, a la formación de ácidos carboxíli-cos. Los aldehídos experimentan fácilmente esta oxidación, incluso con oxidantes débiles como lassales de plata. Por ejemplo, el etanal:

CH3UCHO CH3UCOO−NH+4

Las cetonas exigen oxidantes más enérgicos (dicromato potásico o permanganato potásico) y laruptura de la cadena puede producir mezclas de productos y liberación de CO2 si la función oxoestaba situada en el penúl timo carbono. Por ejemplo, la propanona:

CH3UCOUCH3 CH3UCOOH + CO2

Finalmente, otro ejemplo destacado es la formación de ácidos dicarboxílicos en el caso de las ceto-nas cíclicas, como es la ciclohexanona:

Escribe y nombra el compuesto obtenido por reacción entre:a) Ácido acético y 2-propanol. b) Cloruro de acetilo con agua.

a) Se produce la reacción de esterificación del ácido por el alcohol:

CH3—COOH + CH3—CHOH—CH3 CH3—COO—CHCH3

CH3

——

etanoato de 2-propilo

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HOOC—(CH2)4—COOHK2Cr2O7

calor—— O

ácido hexanodioico

13

CH3CH2 CH2CH3 CH2CH3CH3H3C

H3C

OH⊕ + + Cl� C C CCl

H H H— — —

— —

HO---- ----ClHO

12

cis-2-Buteno

————CH3

H

H3C

HC——C

trans-2-Buteno

————H

CH3

H3C

HC——C


NaOH/H2O

AgNO3/NH3

K2Cr2O7

calor


Química

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b) Es una reacción de hidrólisis del cloruro de acetilo que revierte al ácido carboxílico. No se nece-sita catálisis.

CH3UCOCl + H2O CH3UCOOH + HClácido etanoico ácido clorhídrico

Escribe y nombra el producto principal obtenido en cada una de las siguientes reacciones:

a) Reducción catalítica de la 3-pentanona.

b) Hidrólisis del acetonitrilo.

a) CH3UCH2UCOUCH2UCH3 CH3UCH2UCHOHUCH2UCH3, 3-pentanol.

b) CH3UCIN + H3O+ NH3 + CH3UCOOH, ácido etanoico.

Completa las siguientes reacciones orgánicas:

a) CH3UCH2UCHOHUCH3 + KMnO4 (aq)

b) CH3UCH2UCHuCH2 + Br2

c) CH3UCOOH + CH3UCH2UCH2UCH2OH

d) CH3UCHO + H2 (Pd)

e) CH3UCH2UCH2UCH2Cl + OH–

f) CH3UCOOUCH3 + H2O (NaOH)

g) CH3UCH2UNH2 + H2O

h) CH3UCH2UCH2Cl + 2Na

a) El KMnO4 es un oxidante fuerte que oxida al butanol, con rotura de la cadena, hasta ácido car-boxílico y dióxido de carbono al ocupar la función alcohol un penúltimo carbono. El ácido obte-nido es el ácido propanoico.

CH3UCH2UCHOHUCH3 CH3UCH2UCOOH + CO2

b) Se produce la adición de un halógeno al doble enlace y se obtiene 1,2-dibromobutano.

CH3UCH2UCHuCH2 + Br2 CH3UCH2UCHBrUCH2Br

c) Se producirá una reacción de esterificación. El éster obtenido es etanoato de butilo.

CH3UCOOH + CH3UCH2UCH2UCH2OH CH3UCOOUCH2UCH2UCH2UCH3 + H2O

d) La hidrogenación catalítica del aldehído produce el alcohol correspondiente, etanol en este caso.

CH3UCHO CH3UCH2OH

e) Se produce la sustitución nucleófila, resultando 1-butanol.

CH3UCH2UCH2UCH2Cl + OH− CH3UCH2UCH2UCH2OH + Cl−

f) El hidróxido sódico cataliza la hidrólisis básica del éster, que produce alcohol metílico y la salsódica del ácido acético.

CH3UCOOUCH3 + NaOH CH3UCOONa + CH3OH

g) La etilamina, en agua, manifiesta su carácter básico protonándose:

CH3UCH2UNH2 + H2O CH3UCH2UNH3+ + OH−

h) Se trata de la síntesis de Wurtz, que produce dimerización en la preparación de los reactivosorganometálicos.

2 CH3UCH2UCH2Cl + 2 Na CH3UCH2UCH2UCH2UCH2UCH3 + 2 NaCl

H2 (Pd)

KMnO4

16

15


H2

catalizador


Química


La fórmula molecular de un alcohol insaturado ópticamente activo, A, es C5H10O. Se sabe que A se oxida fácilmen-te para dar trans-3-penten-2-ona (B) y que la deshidratación de A con H2SO4 da 1,3-pentadieno (C).

a) Dibuja los esqueletos de las sustancias B y C.

b) Identifica y nombra el compuesto A.

c) Dibuja la estructura de cuatro isómeros posibles de A.

A: C5H10 O B: CH3UCOUCHuCHUCH3

A: C5H10O C: CH2uCHUCHuCHUCH3

a) Los esqueletos de los compuestos B y C serán:

b) El compuesto A tendrá una función alcohol en el mismo carbono en que el compuesto B poseeuna función cetona y tendrá el doble enlace en trans, según se afirma en el enunciado tambiénpara B:

c) Los cuatro isómeros del compuesto A se obtienen considerando la isomería cis-trans del dobleenlace y la isomería R-S en el carbono que soporta la función alcohólica:

Escribe las siguientes reacciones e indica de qué tipo son y el nombre de los productos de reacción:

a) Ácido acético + hidróxido sódico.

b) Ácido acético + alcohol isopropílico.

c) Acetato de etilo + hidróxido sódico.

a) Se trata de una reacción de neutralización ácido-base:

CH3UCOOH + NaOH CH3UCOONa + H2Oetanoato sódico

b) Es una reacción de esterificación:

CH3UCOOH + CH3UCHOHUCH3 CH3UCOOUCH(CH3)UCH3 + H2Oetanoato de 2-propilo

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(R)-trans-3-penten-2-ol

C——C ——

—

——

H3C

C

OH

H

CH3

H

H

(S)-trans-3-penten-2-ol

C——C ——

—

——

H3C

C

OH

H

H

CH3

H

(R)-cis-3-penten-2-ol(S)-cis-3-penten-2-ol

C——C ——

—

——

H

C

OH

HH

CH3H3C

C——C ——

—

——H3C C

OH

H

H

CH3H

H3C

H

H

CHOH—CH3

C——C— —— ——

trans-3-penten-2-ol

——•B: •C:

O



Química

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c) Es una reacción de saponificación. El éster es hidrolizado, resultando el alcohol y la sal sódica delácido:

CH3UCOOUCH2UCH3 + NaOH CH3UCOONa + CH2OHUCH3

etanoato sódico etanol

Completa las siguientes reacciones e indica los nombres de los compuestos que se obtienen y de qué tipo de reac-ción se trata en cada caso:a) 2-Butanol + H2SO4

b) Ácido propanoico + propanol + HClc) 2-Cloro-2-metilpropano + NaOH diluido a temperatura ambiente

a) Es una reacción de deshidratación. El ácido sulfúrico es un deshidratante potente que convierteel alcohol en un alqueno. De los dos alquenos posibles se produce mayoritariamente el más sus-tituido (regla de Saytzev). En este caso, 2-buteno predominará sobre 1-buteno:

CH3UCH2UCHOHUCH3 CH3UCHuCHUCH3 + CH3UCH2UCHuCH2 + H2O2-Buteno 1-Buteno

b) Se produce la esterificación. Se supone que se trata de 1-propanol:

CH3UCH2UCOOH + HOCH2UCH2UCH3 CH3UCH2UCOOUCH2UCH2UCH3 + H2Opropanoato de propilo

c) Es una sustitución nucleófila de Cl por OH:

CH3UCCl(CH3)UCH3 CH3UCOH(CH3)UCH3

2-metil-2-propanol

NaOH

HCl

H2SO4

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