Unidad 13: Reacciones orgánicas

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1 Unidad 13: Reacciones orgánicas 1. REACTIVIDAD DE LS CMPUESTS RGÁNICS 1.1. Introducción Las reacciones orgánicas son reacciones químicas que involucran al menos un compuesto orgánico como reactivo. Tienen, en general, altas energías de activación y pequeña velocidad de reacción. Casi siempre se forman compuestos intermedios inestables, de alto contenido energético y vida corta, que evolucionan hacia los productos finales. No hay un límite al número de reacciones orgánicas y mecanismos posibles. Cada reacción tiene un mecanismo de reacción por pasos que explica cómo sucede, aunque no siempre es clara una descripción detallada a partir sólo de una lista de reactivos. Sin embargo, se observa ciertos patrones generales que pueden ser usados para describir muchas reacciones comunes o útiles. La reactividad de los compuestos orgánicos depende de la polaridad de sus enlaces. Esta puede ser debida: A la diferencia de electronegatividad de los átomos que forman un enlace polar. Al efecto inductivo sobre los electrones de enlace producido por enlaces polares próximos. Al efecto resonante de enlaces dobles o triples alternos Desplazamientos electrónicos La diferencia de electronegatividad de los átomos que forman un enlace produce un dipolo permanente: Con una carga parcial negativa δ sobre el átomo más electronegativo. Con una carga parcial positiva δ+, de igual magnitud, sobre el átomo menos electronegativo. Ejemplo: R δ H δ + Un enlace con polaridad puede tener un efecto inductivo sobre un enlace adyacente: Efecto inducido receptor ( I): El átomo más electronegativo está unido a una cadena carbonada, atrayendo los electrones del siguiente enlace y transmitiendo a la cadena la carga positiva. Sustituyentes receptores: N 2, CN, CH, CR, H. Ejemplo: R 3 C δ+ δ H Efecto inducido dador (+I): El átomo menos electronegativo está unido a una cadena carbonada, repeliendo los electrones del siguiente enlace y transmitiendo a la cadena la carga negativa. Sustituyentes dadores: CR 3, CHR 2, R,. Ejemplo: R 3 C δ C δ+ H 3 El efecto mesomérico o resonante describe las propiedades de atracción o liberación de electrones de los sustituyentes basándose en estructuras resonantes. Efecto mesómero negativo ( M): El sustituyente es un grupo que atrae electrones. Sustituyentes negativos: C, CN, N 2. Efecto mesómero positivo (+M): El sustituyente es un grupo que libera electrones. Sustituyentes positivos: H, NH 2, fenil. Raúl Corraliza 141

2 1.3. Ruptura de enlaces e intermedios de reacción Se denomina ruptura homolítica a la la ruptura de un enlace químico en el que cada átomo participante del enlace retiene un electrón del par que constituía la unión: A B A +B Los intermedios de reacción A y B se denominan radicales libres. Se denomina ruptura heterolítica a la ruptura de un enlace químico en el que los dos electrones que constituyen el enlace son asignados al mismo fragmento: A B A - +B + El ion negativo A - se denomina carbanión. El ion positivo B + se denomina carbocatión Clasificación de los reactivos orgánicos Los reactivos básicos que intervienen en las reacciones orgánicas se pueden clasificar en: Reactivos homolíticos: Son radicales que utilizan su electrón desapareado para formar un enlace covalente. Son reactivos de este tipo los radicales libres. Reactivos nucleófilos: Actúan atacando zonas de baja densidad electrónica, cediendo pares de electrones a un átomo de la molécula orgánica y forman un enlace covalente con dicho átomo. Son bases de Lewis. Son reactivos de este tipo los carbaniones o moléculas con pares de electrones sin compartir. Reactivos electrófilos: Actúan atacando zonas de alta densidad electrónica, aceptando pares de electrones de un átomo de la molécula orgánica y forman un enlace covalente. Son ácidos de Lewis. Son reactivos de este tipo los carbocationes o moléculas con orbitales vacíos. 2. CLASIFICACIÓN DE LAS REACCINES RGÁNICAS 2.1. Reacciones con nombre La química orgánica tiene una fuerte tradición de nombrar una reacción específica por su inventor o inventores, por lo que existe una larga lista de las llamadas reacciones con nombre, que conservadoramente se estiman ser Clasificación según la afinidad de los reactivos Las reacciones electrófilas se producen por reactivos electrófilos, que atacan puntos de alta densidad electrónica para formar enlaces covalentes. Las reacciones nucleófilas se producen por reactivos nucleófilos, que atacan puntos de baja densidad electrónica para formar enlaces covalentes. 142 Raúl Corraliza

3 2.3. Clasificación según la relación estructural entre reactivos y productos Las reacciones de sustitución son aquellas donde un átomo o grupo en un compuesto químico es sustituido por otro átomo o grupo. Las reacciones de sustitución radicálicas tienen lugar mediante un mecanismo fotoquímico a través de radicales libres. Se tratan de reacciones en cadena, con las etapas de iniciación, propagación y terminación. Para iniciarlas se precisa de altas temperaturas o radiación UV. Entre estas cabe destacar la halogenación de alcanos: RH + X 2 RX + HX Iniciación: Cl 2 2Cl Propagación: Cl+CH 4 HCl + +Cl 2 Cl+Cl (que vuelve a iniciar el proceso) Terminación: 2Cl Cl 2 + Cl Cl Las reacciones de sustitución nucleófilas (SN) se producen en moléculas con enlaces sencillos muy polarizados C δ + R δ -, donde se sustituye un grupo electronegativo por un atacante nucleófilo. Los mecanismos de reacción pueden ser en una etapa (SN2) o en dos etapas sucesivas (SN1). Entre estas cabe destacar: btención de halogenuros de alquilo a partir de alcoholes: H +HCl Cl+H 2 btención de alcoholes de alquilo a partir de halogenuros de alquilo: Br+NaH H +NaBr btención de aminas a partir de halogenuros de alquilo en medio básico: Cl+NH 3 + NaH NH 2 +NaCl + H 2 Las reacciones de sustitución electrófilas (SE) se producen en hidrocarburos aromáticos, donde se sustituye un H por un reactivo electrófilo. El reactivo electrófilo se une al anillo aromático a través de los electrones p y origina un ion intermedio, que rapidamente se desprende de un hidrón, con lo que se recupera la estructura aromática. Entre estas cabe destacar: Halogenación aromática: fenil H + Cl 2 Nitración: AlCl 3 H 2 S 4 fenil Cl+ HCl fenil H +HN 3 fenil N 2 + H 2 Sulfonación: fenil H +H 2 S 2 7 fenil S 2 (H )+S 3 + H 2 Raúl Corraliza 143

4 Las reacciones de adición son aquellas donde una o más especies químicas se suman a otra que posee al menos un enlace múltiple. Las reacciones de adición radicálicas involucran radicales libres. Las reacciones de adición nucleófilas (AN) se producen en enlaces múltiples muy polares. Entre estas cabe destacar la adición a grupos carbonilo: R 2 C=+ HCN R 2 C δ+ = δ + H + +CN - R 2 C (CN )H Las reacciones de adición electrófilas (AE) se producen en enlaces múltiples muy poco polarizados entre átomos de carbono. En la adición de un reactivo asimétrico, del tipo HX, la regla de Markovnikov establece que el producto mayoritario será aquel en el que: El hidrón H + se une al átomo de carbono de la insaturación con el mayor número de átomos de H. El anión X se une al átomo de carbono de la insaturación con el menor número de átomos de H. Entre estas cabe destacar: Adición de hidrógeno: =CH +H 2 Pt CH C +2 H 2 Pt CH C + H 2 Adición de agua: =CH +H 2 Adición de halógenos: Pd desactivado =CH +Cl 2 CCl 4 CCl 4 =CH H 2S 4 CHH CH (Markovnikov) 3 Cl CHCl CH C +2Cl 2 CHCl 2 CCl 2 Adición de halogenuros de hidrógeno: = + HCl Cl CH C +2 HCl CCl 2 (Markovnikov) Las reacciones de eliminación son aquellas donde dos sustituyentes son eliminados de una molécula. Son reacciones inversas a las reacciones de adición. Dependiendo de la posición de los sustituyentes eliminados: Si están situados en átomos adyacentes, se crea una nueva insaturación. Si están situados en átomos no adyacentes, se crea un nuevo ciclo. En el caso en que pueda ser formado más de un alqueno, la regla de Saytzeff establece que será mayoritario el más estable termodinámicamente. En la eliminación de un compuesto binario HM, el hidrógeno se elimina del carbono menos hidrogenado de entre los contiguos. Los mecanismos de reacción pueden ser en una etapa (E2) o en dos etapas sucesivas (E1). Entre estas cabe destacar: Deshidratación de alcoholes: H H 2 S 4 Calor = + H 2 H 2 S 4 CHH Calor CH =CH +H 2 (Saytzeff) Deshidrohalogenación de derivados halogenados: Br KH Alcohol = +KBr +H 2 Deshidrohalogenación de 1,2-dihalogenoalcanos: Br Br KH Alcohol CH CH +2 KBr +2 H Raúl Corraliza

5 2.4. Clasificación según el carácter oxidante o reductor de los reactivos Las reacciones redox orgánicas son aquellas en las que se produce un cambio en el número de oxidación de un átomo de carbono. En las reacciones de oxidación orgánicas el número de oxidación de un átomo de carbono aumenta. Entre estas caben destacar: Combustión: Combinación de la sustancia con el oxígeno del aire. CH C 2 +2 H 2 El resto de oxidaciones se producen, en general, con oxidantes energéticos como KMn 4 o K 2Cr 2 7 en medio ácido. Las sucesivas oxidaciones de las funciones oxigenadas son: Alcohol primario Aldehído Ácido carboxílico. Alcohol secundario Cetona Ácido carboxílico. En las reacciones de reducción orgánicas el número de oxidación de un átomo de carbono disminuye. Entre estas cabe destacar la reducción con hidrógeno en presencia de catalizadores metálicos. H 2 R CH Pt R H H 2 R C R ' Pt R CHH R ' 1. Para cada uno de los siguientes procesos, formula la reacción, indique el nombre de los productos y el tipo de reacción orgánica: a) Hidrogenación catalítica del 3-metilbut-1-eno. b) Deshidratación del butan-1-ol con ácido sulfúrico. c) Deshidrohalogenación de 2-bromo-2-metilpropano. d) Reacción de propanal con KMn Formula las reacciones orgánicas de los siguientes apartados, indicando el tipo de reacción: a) Formación de but-1-eno a partir de butan-1-ol. b) btención de propanoato de metilo a partir de ácido propanoico y metanol. c) btención de propano a partir de propino. d) btención de metanol a partir de clorometano. 3. CMPUESTS DE ESPECIAL INTERÉS 3.1. Alcoholes Los alcoholes son compuestos orgánicos que contienen un grupo hidroxilo H en sustitución de un átomo de hidrógeno. Los compuestos orgánicos que contienen varios grupos hidroxilos se denominan polialcoholes. Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios o terciarios, dependiendo de si el grupo hidroxilo está unido a un carbono primario, secundario o terciario, respectivamente. Los alcoholes pueden producirse: Por hidrólisis de halogenuros de alquilo: Sustitución nucleófila en presencia de catalizadores básicos. Br+NaH H +NaBr Por hidratación de alquenos: Adición hidrófila de agua a los dobles enlaces (cumpliendo la regla de Markovnikov), en medio sulfúrico. H 2S 4 R CH =CH R ' +H 2 R CHH R ' Por hidrólisis de ésteres: Sustitución en medio ácido. R CR ' +H 2 H + R CH + R' H Raúl Corraliza 145

6 Entre sus propiedades físicas cabe señalar: Los primeros alcoholes de la serie homóloga son líquidos incoloros de olor característico, solubles en el agua en proporción variable y menos densos que ella. Al aumentar la masa molecular, aumentan sus puntos de fusión y ebullición, pudiendo ser sólidos a temperatura ambiente. A diferencia de los alcanos de los que derivan, el grupo funcional hidroxilo permite que la molécula sea soluble en agua debido a la similitud del grupo hidroxilo con la molécula de agua y le permite formar enlaces de hidrógeno. La solubilidad de la molécula depende del tamaño y forma de la cadena alquílica, ya que a medida que la cadena alquílica sea más larga y más voluminosa, la molécula tenderá a parecerse más a un hidrocarburo y menos a la molécula de agua, por lo que su solubilidad será mayor en disolventes apolares, y menor en disolventes polares. El hecho de que el grupo hidroxilo pueda formar enlaces de hidrógeno también afecta a los puntos de fusión y ebullición de los alcoholes. A pesar de que el enlace de hidrógeno que se forma sea muy débil en comparación con otros tipos de enlaces, se forman en gran número entre las moléculas, configurando una red colectiva que dificulta que las moléculas puedan escapar del estado en el que se encuentren (sólido o líquido), aumentando así sus puntos de fusión y ebullición en comparación con sus alcanos correspondientes. Entre sus propiedades químicas cabe destacar: Reacciones de sustitución: La sustitución nucleófila de alcoholes produce halogenuros de alquilo: H +HCl Cl+H 2 Reacciones de eliminación: La deshidratación de alcoholes con ácido sulfúrico produce alquenos: H 2S 4 H = +H 2 Reacciones de oxidación: Los alcoholes se oxidan con dicromato de potasio o con permanganato potásico. Los alcoholes primarios producen aldehidos y ácidos carboxílicos. R H R CH R CH Los alcoholes secundarios producen cetonas y ácidos carboxílicos. R CHH R ' R C R ' R CH R ' Los alcoholes terciarios, en condiciones ordinarias, no se oxidan. Reacciones ácido-base: Los alcoholes reaccionan con ácidos carboxílicos en presencia de ácido sulfúrico y calor formando ésteres (esterificación). H 2 S 4 R H +R ' CH Calor R ' CR+H 2 3. Escribe las reacciones que se producen a partir del etanol en los siguientes casos, y nombra los productos obtenidos: a) Deshidratación con ácido sulfúrico en caliente. b) Reacción con cloruro de hidrógeno. c) Reacción con ácido propanóico. d) xidación fuerte. 4. Un alcohol insaturado A, de fórmula C 5 H 10, se oxida y se obtiene pent-3-en-2-ona, mientras que la deshidratación del alcohol A con ácido sulfúrico conduce a penta-1,3-dieno. a) Identifica y nombra el compuesto A. b) Formula las dos reacciones del enunciado e indica a qué tipo corresponde cada una de ellas. c) Formula y nombra un isómero de función del compuesto A. 146 Raúl Corraliza

7 3.2. Ácidos carboxílicos Los ácidos carboxílicos son compuestos orgánicos que contienen un grupo carboxilo CH en posición terminal. Tienen propiedades ácidas: los dos átomos de oxígeno son electronegativos y tienden a atraer a los electrones del átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo con lo que se debilita el enlace, produciéndose una ruptura heterolítica, cediendo el correspondiente hidrón H+ y quedando el resto de la molécula con carga -1 debido al electrón que ha perdido el átomo de H. Generalmente los ácidos carboxílicos son ácidos débiles, con sólo un 1% de sus moléculas disociadas para dar los correspondientes iones, a temperatura ambiente y en disolución acuosa, pero sí son más ácidos que otros, en los que no se produce deslocalización electrónica, como por ejemplo los alcoholes. Esto se debe a que la estabilización por resonancia o deslocalización electrónica, provoca que la base conjugada del ácido sea más estable que la base conjugada del alcohol. Los ácidos carboxílicos pueden producirse: Por oxidación de alcoholes primarios o de aldehídos: Utilizando oxidantes como permanganato de potasio o dicromato de potasio en medio ácido, o por oxidación con el oxígeno del aire utilizando catalizadores de cobalto. KMn 4 R H H + R CH Por hidrólisis de ésteres: Mediante esterificación inversa. R CR ' +H 2 R CH + R ' H xidación de hidrocarburos aromáticos: Es un método para obtener ácido benzóico. fenil fenil CH Entre sus propiedades físicas cabe señalar: Los ácidos carboxílicos son moléculas polares que forman enlaces de hidrógeno a través del grupo hidroxilo, existiendo como dímeros en medios no polares. Los primeros ácidos carboxílicos de la serie homóloga son solubles en agua, mientras que al aumentar la masa molecuar tienden a ser solubles en disolventes apolares. Los puntos de fusión y ebullición de los ácidos carboxílicos son más altos que los de otros compuestos de similar masa molecular, los primeros ácidos de la serie son líquidos y los de mayor masa molecular son sólidos. Entre sus propiedades químicas cabe destacar: Reacciones ácido-base: El carácter ácido se debe a la polaridad de los enlaces C= y H y al efecto mesómero (por resonancia). Los ácidos carboxílicos reaccionan con bases para formar las sales correspondientes. R CH +NaH R CNa+H 2 Reacciones de reducción: La reducción de los ácidos a alcoholes es compleja, pues continúa hasta el alcano, pero es posible con algunos catalizadores: LiAlH 4 R CH R H Reacciones de esterificación: Los ácidos reaccionan con los alcoholes para dar ésteres y agua. H 2 S 4 R H +R ' CH Calor R CR+ H 2 El proceso inverse se llama hidrólisis o saponificación. Reacciones del grupo carbonilo: Son reacciones de sustitución nucleófila en las que el grupo hidroxilo se sustituye por un halógeno. PCl 3 R CH H 3 P 4 R CCl Raúl Corraliza 147

8 5. El aminoácido leucina es el ácido 2-amino-4-metilpentanóico. a) Escribe su fórmula semidesarrollada. b) Formula y nombra un compuesto que sea isómero de cadena de la leucina. c) Escribe la reacción de la leucina con el metanol, nombra los productos e indica qué tipo de reacción es. d) Si en la leucina se sustituye el grupo amino por un grupo alcohol, formula y nombra el compuesto resultante. 6. El ácido adípico (hexanodióico), una de las materias primas que se utilizan en la fabricación del nailon, se obtiene comercialmente oxidando el ciclohexano con oxígeno, formándose también agua. a) Formula y ajusta la reacción correspondiente. b) Si se utilizan 50,0 g de ciclohexano, calcula qué cantidad teórica de ácido adípico debería obtenerse. c) Si en la reacción anterior se obtienen 67,0 g de ácido adípico, calcula cuál es el rendimiento de la reacción Ésteres Los ésteres son compuestos orgánicos producidos por la sustitución del átomo de H de un grupo carboxilo por un sustituyente carbonado CR. Los ácidos carboxílicos se producen, principalmente por la reacción de un ácido carboxílico con un alcohol, en una reacción de sustitución nucleófila denominada esterificación. R CH +R ' H R CR' +H 2 Entre sus propiedades físicas cabe señalar: Son líquidos o sólidos, aumentando sus puntos de fusión y ebullición con la masa molecular. Los ésteres de pocos átomos de carbono son solubles en agua, la solubilidad disminuye al aumentar el número de carbono. Todos son solubles en disolventes orgánicos. Los ésteres líquidos tienen olores agradables, los sólidos son inodoros. Entre sus propiedades químicas cabe destacar: Reacciones de hidrólisis: En medio ácido producen reacciones inversas a la esterificación. En presencia de una base, se denomina saponificación. R CR ' +NaH R CNa+R ' H Reacciones con amoniaco: Los ésteres reaccionan con amoníaco para formar amidas. LiAlH 4 R CR ' +NH 3 R CNH 2 + R' H 7. Entre los componentes de la esencia de rosas están el butirato de etilo (butanoato de etilo), el nonanoato de etilo y el undecilato de pentilo. Estos compuestos son responsables de su agradable aroma. a) Formula los compuestos. b) Formula las reacciones que ocurrirían si se les añadiera un ácido diluido, nombrando los compuestos producidos. 8. El hexadecanoato de triacontilo (o palmiato de miriscilo) es el componente principal de la cera de abejas. a) Formula el compuesto. b) Justifica por qué la cera de abejas no es soluble en agua. c) Indica cómo podrías obtenerlo por síntesis en un laboratorio, nombrando los reactivos y escribiendo la reacción. 148 Raúl Corraliza

9 4. LA SÍNTESIS DE MEDICAMENTS. IMPRTANCIA Y REPERCUSINES DE LA INDUSTRIA QUÍMICA RGÁNICA Un fármaco es una molécula bioactiva que, en virtud de su estructura y configuración química, puede interactuar con macromoléculas proteicas, generalmente denominadas receptores, localizadas en la membrana, citoplasma o núcleo de una célula, dando lugar a una acción y un efecto evidenciable. Hoy en día, los fármacos se expenden en forma de medicamentos, los cuales contienen uno o más principios activos, diferenciándose de excipientes y de solventes empleados en su fabricación. Los laboratorios farmacéuticos utilizan nombres comerciales, ya que el principio activo tiene una denominación que es de dominio público. Los fármacos pueden ser sintetizados o extraídos de un organismo vivo, en este último caso, debe ser purificado y/o modificada químicamente, antes de ser considerado como tal. Las reacciones orgánicas son importantes en la producción de fármacos. En una revisión del 2006 se estimó que de las conversiones químicas: El 20% involucraba la alquilación en átomos de nitrógeno u oxígeno. El 20% involucraba la adición y eliminación de un grupo protector. El 11% involucraba la formación de un nuevo enlace carbono-carbono. El 10% involucraba interconversiones de grupos funcionales. La industria farmacéutica es un sector empresarial dedicado a la fabricación, preparación y comercialización de productos químicos medicinales para el tratamiento y también la prevención de las enfermedades. Debido a que su actividad afecta directamente a la salud humana, esta industria está sujeta a una gran variedad de leyes y reglamentos con respecto a las investigaciones, patentes, pruebas y comercialización de los fármacos. Muchas compañías farmacéuticas realizan tareas de investigación y desarrollo (I+D) con el fin de introducir nuevos tratamientos mejorados. La mayoría de los países conceden patentes para los medicamentos o fármacos recientemente desarrollados o modificados, por periodos de unos 15 años a partir de la fecha de autorización. Las compañías asignan una marca registrada a sus innovaciones, que pasan a ser de su propiedad exclusiva. Además, los nuevos medicamentos reciben un nombre genérico oficial de propiedad pública. Una vez que expira la patente, cualquier empresa que cumpla las normas del organismo regulador puede fabricar y vender productos con el nombre genérico. En el apartado de críticas a la industria farmacéutica cabe destacar: Los medicamentos no son una mercancía cualquiera, sino un elemento necesario para mantener la salud de los ciudadanos. Existe un conflicto de intereses entre derecho de la industria farmacéutica a obtener beneficios y el derecho a la salud, del que debería gozar todo ser humano. Los argumentos más empleados para justificar el incremento de los precios de los medicamentos establecen que las nuevas técnicas, la fabricación de moléculas más complicadas y el uso de aparatos cada vez más caros han aumentado enormemente los costes. Sin embargo, los críticos del sector sostienen que en realidad los costos de fabricación han disminuido de manera importante, debido al empleo de aparatos y procesos industriales más eficientes, y a la automatización de muchas etapas productivas, con la consiguiente reducción de mano de obra. Por otra parte, la mano de obra se ha visto reducida en forma notable luego de las mega fusiones de las principales empresas farmacéuticas que han ocurrido en la década del 90, que han generado una ola de despidos del orden de varias decenas de miles de empleados. En realidad, el mayor generador de costos en la industria farmacéutica actual no es la fabricación de los medicamentos, ni tampoco las inversiones en investigación y desarrollo sino los gastos derivados de la comercialización o marketing de sus productos, que incluyen millonarios desembolsos para realizar estudios de mercado, análisis de los competidores, estrategias de posicionamiento, extensión de patentes, distribución, promoción, publicidad y ventas de sus productos, así como los gastos administrativos necesarios para mantener estructuras multinacionales, los que incluyen astronómicos salarios pagados a sus principales ejecutivos. Raúl Corraliza 149