SOLUCIONARIO Guía Estándar Anual Reactividad en química orgánica II

Transcripción

1 SOLUCIONARIO Guía Estándar Anual Reactividad en química orgánica II SGUICES040CB33-A16V1

2 Ítem Alternativa Habilidad 1 B Comprensión 2 E Comprensión 3 D Aplicación 4 B Aplicación 5 A Aplicación 6 E Comprensión 7 D Comprensión 8 B Aplicación 9 C Aplicación 10 C Comprensión 11 B Comprensión 12 A Aplicación 13 D Comprensión 14 C Aplicación 15 E Reconocimiento 16 D ASE 17 E Comprensión 18 D Aplicación 19 D Comprensión 20 A Comprensión 21 C Aplicación 22 B Aplicación 23 B Comprensión 24 E Comprensión 25 A Comprensión

3 EJERCICIOS PSU Ítem Alternativa Defensa 1 B Al oxidar alcoholes primarios se espera la obtención de aldehídos, mientras que al oxidar alcoholes secundarios aparecen cetonas. Los alcoholes terciarios son resistentes a la oxidación. Los ácidos carboxílicos provienen de una oxidación fuerte o doble oxidación de alcoholes primarios, es decir, primero deben oxidarse a aldehídos y luego se oxidan a ácidos orgánicos. 2 E Habilidad de pensamiento científico: Identificación de teorías y marcos conceptuales, problemas, hipótesis, procedimientos experimentales, inferencias y conclusiones, en investigaciones científicas clásicas o contemporáneas. Lo señalado en el enunciado corresponde a la regla de Markovnikov, que establece que al realizar una reacción de adición de un hidrácido sobre un alqueno, mayormente, el protón (H + ) se unirá al carbono con mayor número de hidrógenos y el halógeno al carbono con menor número de hidrógenos. Lo anterior corresponde a una generalización de lo observado por Markovnikov para una serie de reacciones de adición (E correcta). Una ley es una descripción de una regularidad observada en la naturaleza, basado en la evidencia científica. Una regla también corresponde a una descripción, pero de un patrón de carácter más particular, que sirve para hacer predicciones sobre los resultados de futuros experimentos (A incorrecta). Una teoría y una hipótesis, por el contrario, no son descripciones, sino que tienen carácter explicativo, es decir, proponen un mecanismo por el que se originan determinados fenómenos (B y C incorrectas).

4 Un procedimiento experimental debe detallar cada uno de los pasos seguidos para llevar a cabo un experimento, de forma que se pueda replicar. En el texto del enunciado no se describe ningún paso experimental (D incorrecta). 3 D La reacción indicada corresponde a una nitración, en donde un H del benceno es reemplazado por un grupo nitro (-NO 2 ). La sustitución ocurre por un ataque electrofílico del ion NO + 2 a los electrones uno de los dobles enlaces del anillo, seguido por la adición de un hidrógeno, recuperando la aromaticidad. Por lo tanto, corresponde a una sustitución electrofílica aromática (D correcta; E incorrecta). Los compuestos aromáticos no llevan a cabo reacciones de adición (A y B incorrectas). En una reacción de eliminación, se libera algún átomo o grupo de átomos de una molécula, con formación de un doble enlace, lo que no ocurre en este caso, ya que se mantiene el número de dobles enlaces y hay un reemplazo de un átomo por otro grupo de átomos (C incorrecta). 4 B La reacción descrita corresponde a una sustitución, donde el halógeno (Br) desplazará a un hidrógeno del alcano. La halogenación fotoquímica ocurre a través de un mecanismo radicalario, por lo que tenderá a producirse mayormente el producto que derive del radical más estable del 2-metilpentano. La estabilidad de los radicales libres, al igual que la de los carbocationes, varía como se muestra en la siguiente imagen.

5 Por lo tanto, el radical más estable se formará si el carbono terciario del 2-metilpentano (carbono 2) soporta el electrón desapareado. Así, observamos que el Br tenderá a unirse con mayor frecuencia al carbono que posee un radical metil, formándose principalmente 2- bromo-2-metilpentano (B correcta). A continuación, se muestra el mecanismo de la reacción para el 2-metilbutano. 5 A Esta reacción implica una adición de agua a dos dobles enlaces, aplicándose las mismas condiciones que en el caso de la regla de Markovnikov. Eso significa que el grupo OH (nucleófilo) se unirá al carbono con menor número de hidrógenos. 2 H 2 O + CH 2 =CH-(CH 2 ) 2 -CH=CH 2 CH 3 -CH(OH)-(CH 2 ) 2 -CH(OH)-CH 3 6 E La reacción representada muestra un hidrocarburo de cadena lineal en los reactivos, y luego una cadena ramificada como producto, pero manteniendo el número de átomos de carbono e hidrógeno, por tanto, corresponde a una isomerización. 7 D El examen conocido como alcotest se utiliza para detectar indirectamente la presencia de alcohol en la sangre, mediante la reacción del etanol presente en la respiración. Específicamente, consiste en que el conductor infle un globo a través de un tubo que contiene dicromato de potasio y ácido sulfúrico impregnado sobre un soporte inerte en polvo (gel de sílice). El alcohol (etanol, un alcohol primario) contenido en el aire espirado es oxidado a ácido acético, y su presencia puede ser comprobada por su olor característico; el dicromato de potasio, en tanto, se reduce a sulfato de cromo (III), y su presencia se comprueba por el color verde característico de esta sustancia. Por lo tanto, ocurre una reacción de oxidación de un

6 alcohol primario (D correcta). Como el etanol es un alcohol primario, se descartan las alternativas B y E. La deshidratación de un alcohol primario, corresponde a una reacción de eliminación, con formación de un alqueno (C incorrecta). En reacciones orgánicas, la oxidación implica la eliminación de hidrógeno de un enlace o insertar oxígeno en una molécula y la reducción implica retirar oxígeno de una molécula o introducir hidrógenos. En este caso, se produce un aumento del número de oxígenos y disminución de hidrógenos, por lo que corresponde a una oxidación (A incorrecta). 8 B La parte nucleofílica del HBr es el bromo (Br - ), ya que él tiene 3 pares de electrones no enlazantes. Esta parte se adiciona al carbono 2 del compuesto, ya que sigue la regla de Markovnikov, según la cual el hidrógeno va al carbono con más hidrógeno, por lo tanto el bromo irá al otro carbono del doble enlace. 9 C Para que se sature la molécula, se debe romper el doble enlace y adicionar algún átomo, ya sea de hidrógeno, halógeno, u otro, para que el carbono siga cumpliendo su octeto, como se muestra a continuación para el eteno: En este caso se debe adicionar un bromo en cada carbono donde había un doble enlace, por lo tanto se necesitarán 4 átomos de bromo. 2 Br 2 + CH 2 = CH CH = CH CH 3 (CHBr) 4 CH 3 10 C Las reacciones de eliminación permiten que, ante la salida de dos sustituyentes, o de un sustituyente acompañado de un hidrógeno, o de dos átomos de hidrógeno, se pueda establecer un doble enlace por formación de un enlace pi (π). Por lo tanto, esta reacción aumenta el número de enlaces π en la molécula (opción III correcta).

7 Las reacciones de adición permiten saturar un alqueno o alquino, formando un alcano, por lo que reduce el número de enlaces π. Las reacciones de sustitución consisten en un reemplazo de un átomo o grupo de átomos por otro, por lo que no afectan a enlaces π (opción II incorrecta). 11 B Los compuestos saturados poseen enlaces de mayor estabilidad correspondientes a los de tipo sigma (σ). Estos se pueden romper a través de reacciones de combustión, sin formación de nuevos enlaces, generándose una gran liberación de energía (B correcta). La adición afecta a los enlaces π, aumentando el número de enlaces σ en una molécula (A incorrecta). La halogenación puede referirse a una reacción de adición de halógenos o a una sustitución de un hidrógeno por un halógeno en un alcano. En esta última, se rompe un enlace σ, pero se forma otro (C incorrecta). La condensación produce la ruptura de ciertos enlaces σ y formación de otros nuevos, por lo que no reduce el número total (E incorrecta). La polimerización es la formación de polímeros, que puede ocurrir por condensación o por adición (D incorrecta).

8 12 A En la reacción de adición de un hidrácido (en este caso HBr) a un alqueno asimétrico, se pueden obtener dos productos, dependiendo de dónde se adicione el halógeno. En este caso se obtiene 1-bromo- 4-metilpentano y 2-bromo-4-metilpentano, siendo este último el producto mayoritario, de acuerdo a la regla de Markovnikov. Esta señala que el hidrógeno se adiciona al carbono del doble enlace con más hidrógeno y el bromo al otro carbono. 13 D En las reacciones de sustitución, los átomos son intercambiados. En este caso, el bromo pasa al compuesto orgánico, eliminándose un hidrógeno del compuesto orgánico para formar una molécula inorgánica (HBr) (D correcta). Una reacción de condensación corresponde a la unión de dos moléculas, formando un solo producto, con liberación de una molécula de agua (C incorrecta). En la adición, no hay reemplazo de un átomo por otro, sino que se añaden átomos a un doble enlace (B incorrecta). El cracking es la descomposición de una molécula compleja en otras más pequeñas (E incorrecta). La combustión consiste en la descomposición de un compuesto orgánico en presencia de oxígeno molecular para producir agua y dióxido de carbono (CO 2 ) (C incorrecta). 14 C La reacción representada consiste en la oxidación de un alcohol secundario, llamado 2-butanol. Su oxidación genera cetonas, en este caso se produce etilmetilcetona o 2-butanona.

9 15 E El objetivo de la hidrogenación es eliminar las insaturaciones (enlaces π) con la adición de hidrógeno, para generar alcanos, que son compuestos saturados. A continuación se muestra un ejemplo de reacción de hidrogenación, en el cual, el 2-buteno en presencia de un catalizador (platino) se transforma en butano. 16 D Dado que el enlace π es más débil que el enlace σ, se rompe durante una reacción de adición, permitiendo la incorporación del hidrógeno y del cloro. Dado que el hidrógeno se une al carbono terminal, se observa un cumplimiento de la regla de Markovnikov. En general, son las reacciones de adición electrofílica aquellas que siguen dicha regla. En este caso se trata específicamente de una hidrohalogenación o adición electrofílica de hidrácidos. 17 E Habilidad de pensamiento científico: Procesamiento e interpretación de datos y formulación de explicaciones, apoyándose en los conceptos y modelos teóricos. Para la reacción de sustitución CH 3 -CH 2 -CH 3 + Cl 2 luz CH 3 -CHCl-CH 3 + HCl El sustrato corresponde a CH 3 -CH 2 -CH 3 que será la molécula en la cuál tiene lugar la sustitución. El reactivo corresponde al Cl 2 que será el átomo o grupo de átomos que ataca al sustrato. El grupo saliente corresponde a HCl, que contiene el hidrógeno que es expulsado del sustrato. Y el producto corresponde a CH 3 -CHCl-CH 3 que es el resultado de

10 la sustitución del grupo saliente por el reactivo. 18 D Para cumplir con la regla de Markovnikov, el átomo de carbono asociado al doble enlace con mayor número de hidrógenos debe recibir al hidrógeno del ácido. El bromo del ácido será añadido al carbono con mayor cantidad de sustituyentes (menor número de H). De esta forma, como producto de la reacción entre el 1-buteno y el ácido bromhídrico, se obtendrá principalmente 2-bromobutano. 19 D La reacción de un alcano con Cl 2 (reacción I), en presencia de luz ultravioleta, da como resultado un cloruro de alquilo. Esta reacción corresponde a una reacción de halogenación, un tipo de sustitución. 20 A Para la reacción II y III, el doble enlace carbono-carbono es rico en electrones y puede ceder un par a un electrófilo (ácido de Lewis), por lo que se trata de reacciones de adición electrofílica. El agua es un ácido muy débil, con una concentración de protones insuficiente para iniciar la reacción de adición electrófila. Es necesario añadir al medio un ácido (H 2 SO 4 ) para que la reacción tenga lugar. Esta adición de agua frente al alqueno genera un alcohol como producto. La adición electrofílica de HX a los alquenos es posible no solo con HBr, sino también con HCl y HI. La reacción entre el cloruro de etilo (CH 3 CH 2 CI) e hidróxido de sodio (NaOH), presentada en el ejercicio, corresponde a un ejemplo de sustitución nucleofílica bimolecular, donde una especie rica en electrones (nucleófilo) ataca a un centro de baja densidad electrónica. 21 C La reacción descrita corresponde a la adición de un halógeno a un alqueno, uniéndose cada átomo de bromo a un carbono del doble enlace.

11 22 B El tratamiento de alcoholes con ácido a temperaturas elevadas genera alquenos por perdida de agua. 23 B La saturación de compuestos insaturados, como los ácidos grasos de los aceites vegetales, se lleva a cabo mediante reacciones de hidrogenación (adición de H 2 ), en presencia de catalizadores como el paladio (Pd) o el níquel (Ni). Si bien es posible adicionar halógenos, agua e hidrácidos a una insaturación, en este caso se busca solo saturar los ácidos grasos, manteniendo su identidad química, en tanto que la adición de halógenos, agua o hidrácidos daría origen a compuestos distintos, no ácidos grasos (que aparte el grupo carboxilo, solo contienen C e H). 24 E Las reacciones de eliminación, son aquellas en las que la molécula pierde dos átomos o grupos de átomos que están en carbonos vecinos, formándose un enlace π y como consecuencia una insaturación (doble o triple enlace). Por el contrario, en las reacciones de adición, una molécula se agrega a un enlace múltiple. Como consecuencia, desaparece el enlace π y se forman dos enlaces σ. 25 A De las reacciones representadas, solo la de la alternativa A representa una sustitución, concretamente una sustitución aromática, donde el reactivo reemplaza un átomo de hidrógeno del benceno. Las reacciones de las alternativas B y E son de adición, la de la alternativa C de isomerización o transposición y la de la alternativa D, de eliminación.