Química del carbono: estudio de algunas funciones orgánicas
Contenidos Estructura y enlaces en moléculas orgánicas: geometría y polaridad. Isomería geométrica. Relación entre fuerzas intermoleculares y las propiedades físicas de los principales compuestos orgánicos (alcoholes, ácidos grasos y ésteres). Revisión de la nomenclatura y formulación de las principales funciones orgánicas. Los grupos funcionales como centros de reactividad molecular: estudio de los tipos principales de reacciones orgánicas. Obtención de alcoholes, ácidos orgánicos y ésteres. Estudio de algunos ésteres de interés. Importancia de alcoholes y ácidos grasos. Polímeros y reacciones de polimerización. Valoración de la utilización de las sustancias orgánicas en el desarrollo de la sociedad actual. Problemas medioambientales. La síntesis de medicamentos. Importancia y repercusiones de la industria química orgánica.
8. Describir las características principales de alcoholes, ácidos y ésteres y escribir y nombrar correctamente las fórmulas desarrolladas de compuestos orgánicos sencillos. El objetivo de este criterio es comprobar si los estudiantes conocen las posibilidades de enlace del carbono (y justifican la existencia de isómeros geométricos por la imposibilidad de giro del doble enlace) y formulan y nombran hidrocarburos saturados e insaturados, derivados halogenados y compuestos orgánicos oxigenados (alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos orgánicos, ésteres) y nitrogenados (aminas, amidas, nitrilos) con una única función orgánica. Asimismo se evaluará si reconocen y clasifican los diferentes tipos de reacciones aplicándolas a la obtención de alcoholes, ácidos orgánicos y ésteres: Obtención de un alcohol (etanol y 2- propanol) por la adición de agua a un alqueno (razonar la posibilidad de obtener mezclas de isómeros, sin valorar cuál sería el mayoritario). Halogenación del benceno. Deshidratación del etanol en presencia de ácidos fuertes. Oxidación de etanol y 2-propanol y obtención del acetato de etilo. También ha de valorarse si relacionan las propiedades físicas de estas sustancias con la naturaleza de los enlaces presentes (covalentes y fuerzas intermoleculares) (Justificando los altos valores de las temperaturas de ebullición de los alcoholes comparándolos con los de los hidrocarburos de semejante masa molecular, que los hidrocarburos sean insolubles en agua; así como la diferencia de solubilidad en agua del etanol, del ácido acético y del acetato de etilo ) y las propiedades químicas con los grupos funcionales como centros de reactividad (justificando el carácter ácido de los ácidos carboxílicos y el carácter básico de las aminas). Por otra parte se valorará la importancia industrial y biológica de dichas sustancias (etileno), sus múltiples aplicaciones y las repercusiones que su uso genera (fabricación de pesticidas, etc.).
9. Describir la estructura general de los polímeros y valorar su interés económico, biológico e industrial, así como el papel de la industria química orgánica y sus repercusiones. Mediante este criterio se comprobará si el alumno o la alumna describe el proceso de polimerización en la formación de estas sustancias macromoleculares, polimerización por adición (Explicar la formación del polietileno y el cloruro de polivinilo) y polimerización por condensación (Explicar la formación del nailon poliamida- a partir de la diamina y el ácido dicarboxílico correspondiente, y de los poliésteres a partir de un diol y un ácido dicarboxílico) Identifica la estructura monoméricas de polímeros naturales (polisacáridos, proteínas, caucho) y artificiales (polietileno, PVC, poliamidas, poliésteres). También se evaluará si conoce el interés económico, biológico e industrial que tienen, así como los problemas que su obtención, utilización y reciclaje pueden ocasionar (polietileno) Además, se valorará el conocimiento del papel de la química en nuestras sociedades y su necesaria contribución a las soluciones para avanzar hacia la sostenibilidad.
Principales tipos de reacciones
Reacciones de sustitución. Un átomo o grupo de átomos de la molécula del sustrato es sustituido por otro átomo o grupo atómico, suministrado por el reactivo R X + Y R Y + X sustrato reactivo producto grupo saliente CH 3 CH 3 + Cl 2 CH 3 CH 2 Cl + HCl CH 3 CH 2 Cl + OH CH 3 CH 2 OH + Cl H R + R X AlCl 3 + HX
Reacciones de adición (I). La molécula del sustrato gana dos átomos o grupos de átomos, procedentes del reactivo Y Z C C + Y Z C C
Adición de halogenuros de hidrógeno (regla de MARKONIKOV): H CH 3 CH CH 2 + H Cl CH 3 CH CH 2 Cl CH 3 CH CH 3 + Cl CH 3 CH CH 3 Adición de halógenos: Br Br CH 3 CH CH CH 3 + Br 2 CH 3 CH CH CH 3 Adición de hidrógeno en presencia de catalizadores: H H CH 3 CH CH 2 + H 2 CH 3 CH CH 2
Reacciones de eliminación. La molécula del sustrato pierde dos átomos o grupos de átomos, formando un enlace (o cerrando un ciclo) A B C C C C + A B deshidratación de un alcohol H OH CH 2 CH 2 H 2 SO 4 H 2 C CH 2 + H 2 O deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo H Cl CH 3 CH 2 CH 2 + KOH CH 3 CH CH 2 + KCl + H 2 O doble eliminación Br H CH 3 C C H H Br + 2KOH CH 3 C CH + 2KBr + 2H 2 O
Reacciones de condensación. Dos moléculas orgánicas se unen desprendiéndose una molécula pequeña, generalmente agua formación de una amida a partir de un ácido carboxílico y una amina CH 3 C O OH + CH 3 CH 2 N H H O CH 3 C N CH 2 CH 3 H + H 2 O esterificación o reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol para formar un éster CH 3 C O OH + CH 3 O H CH 3 C O O CH 3 + H 2 O
Reacciones de oxidación-reducción. COMBUSTIÓN: son procesos de oxidación violentos en atmósfera de oxígeno o en el aire que se producen con gran desprendimiento de luz y calor CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + 13/2 O 2 4CO 2 + 5H 2 O + energía REACCIONES REDOX SIN RUPTURA DE LA CADENA: son oxidaciones (y reducciones) más suaves, sin que se rompa la cadena carbonada La oxidación se realiza con K 2 Cr 2 O 7 o con KMnO 4 La reducción se suele realizar con LiAlH 4 R CH 2 OH oxidación R CHO oxidación R COOH reducción reducción
Reacciones químicas principales Sustitución: un grupo entra en lugar de otro que sale. CH 3 Cl + H 2 O CH 3 OH + HCl Adición: a un doble o triple enlace CH 2 =CH 2 + Cl 2 CH 2 Cl CH 2 Cl Eliminación: de un grupo de átomos. Se produce un doble enlace CH 3 CH 2 OH CH 2 =CH 2 + H 2 O Redox: (cambia el E.O. del carbono). CH 3 OH + ½ O 2 HCHO + H 2 O
Habitualmente, se sigue utilizando el concepto de oxidación como aumento en la proporción de oxígeno y reducción como disminución en la proporción de oxígeno.
Ejemplos de reacciones de adición. Electrófila: CH 3 CH=CH 2 + H 2 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH=CH 2 + Cl 2 CH 3 CHCl CH 2 Cl CH 3 CH=CH 2 + HBr CH 3 CHBr CH 3 (mayor proporción) CH 3 CH=CH 2 + H 2 O (H + ) CH 3 CHOH CH 3 (mayor proporción) Nucleófila: C N CH 3 CO CH 3 + HCN CH 3 C CH 3 OH
Ejemplos de Sustitución nucleófila. Sustitución de derivados clorados: (CH 3 ) 3 C Cl + NaOH (CH 3 ) 3 C OH + NaCl Nota: Esta reacción compite con la de eliminación, si bien en este caso, por formarse un carbocatión estable (terciario) se favorece la sustitución. CH 3 CH 2 CH 2 Cl + 2 NH 3 CH 3 CH 2 CH 2 NH 2 + NH 4 Cl Sustitución de alcoholes: CH 3 CH 2 OH + HBr CH 3 CH 2 Br + H 2 O
Reacciones más importantes por grupos funcionales
ALCANOS Y HALOGENUROS DE ALQUILO COMBUSTIÓN: (la dan todos los compuestos) son procesos de oxidación violentos en atmósfera de oxígeno o en el aire que se producen con gran desprendimiento de luz y calor CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + 13/2 O 2 4CO 2 + 5H 2 O + energía Sustitución: Por radicales libres: el reactivo atacante es un radical libre producido en una ruptura homolítica Eliminación: CH 3 CH 3 + Cl 2 CH 3 CH 2 Cl + HCl halogenuros de alquilo sufren una deshidrohalogenación con KOH H Cl CH 3 CH 2 CH 2 + KOH CH 3 CH CH 2 + KCl + H 2 O
ALQUENOS (OLEFINAS) Y adición de: HCl ALQUINOS Br 2, Pierde el color marrón-rojizo H 2 (Pt,Ni como catalizador) H 2 O (ácidos como catalizadores, H 3 PO 4 ) Regla si es asimétrica el H se adiciona al carbono que tiene más hidrógenos oxidación CH 3 CH CH 2 KMnO 4 CH 3 CH=CH CH 3 CH 3 CHOH CHOH CH 3
BENCENO Y SUS DERIVADOS Reacciones de sustitución. La más importante alquilación. Un hidrógeno es sustituido por un resto orgánico (R-) H + R X AlCl 3 R + HX
Alcoholes Eliminación de agua: deshidratación usando ácidos sulfúrico o fosfórico u óxido de aluminio como catalizadores H OH CH 2 CH 2 H 2 SO 4 H 2 C CH 2 + H 2 O Oxidación con dicromato de potasio o permanganato de potasio Alcoholes primarios oxidación a aldehídos y posteriormente a ácidos Alcoholes secundarios oxidación a cetonas R CH 2 OH oxidación R CHO oxidación R COOH Esterificación: ácido + alcohol ester + agua O CH 3 C OH + CH 3 O H CH 3 C O O CH 3 + H 2 O
Aldehídos, cetonas y ácidos Reducción con LiAlH 4 a alcoholes Adición (poco importante) O OH CH 3 C + H CN CH 3 C H H CN Esterificación (ácido + alcohol éster + agua Formación de amida: ácido + amina amida + agua O CH 3 C + CH 3 CH 2 N H OH H O CH 3 C N CH 2 CH 3 + H 2 O H
POLÍMEROS Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos y otras tienen ramificaciones. Si hay un monómero único o varios, se forman homopolímeros o heteropolímeros. Monómeros Polímero (Homopolímero) Monómeros Polímero (Heteropolímero)
Los polímeros se clasifican en : Naturales: proteínas, polisacáridos (almidón), ácidos nucleicos, el hule natural, etc. Sintéticos: nylon, teflón, polietileno, PVC, poliestireno, poliéster, etc.
Polímeros y macromoléculas 1 Macromoléculas y polímeros. Las macromoléculas orgánicas se forman por unión sucesiva de muchas unidades pequeñas, todas del mismo tipo, denominadas MONÓMEROS MONÓMERO polimerización POLÍMERO F F polimerización C C F F Monómero: tetrafluoretileno F F F F F F C C C C C C F F F F n F F Polímero: teflón Recubrimientos de teflón
Reacciones de polimerización (I). Por ADICIÓN: la unión sucesiva de las moléculas del monómero da un único producto Formación de polietileno a partir de etileno: H H C C H H Monómero: etileno Polimerización Catalizador H H H H H H C C C C C C H H H H n H H Polímero: polietileno
Reacciones de polimerización (II). Por CONDENSACIÓN: los monómeros se unen produciendo dos tipos de compuestos (polímero + agua) Formación de almidón a partir de glucosa: + n glucosas Glucosa (C 6 H 12 O 6 ) Glucosa Maltosa (dímero) n Almidón (polímero)
Ejemplos Polietileno Usado en bolsas de plástico y juguetes nylon Usado en cuerdas, medias, textiles Poliestireno Usado en la elaboración de hielo seco y espumas aislantes
PVC Usado en las tuberías de drenaje poliéster Usado en Textiles F F C - C Teflón F F n Anti adherente usado en sartenes
Polímeros de adición Monómero Polímero Usos típicos CH 2 CH 2 Eteno [ CH 2 CH 2 ] n Polietileno Contenedores, tuberías, bolsas, juguetes, cables aislantes. CH 2 CH CH 3 Propeno CH 2 CHCl Cloroeteno CH 2 CHCN Acrilonitrilo CH 2 CH Estireno CF 2 CF 2 Tetrafluoreteno [ CH 2 CH ] n CH 3 Polipropileno [ CH 2 CH ] n Cl Policloruro de vinilo (PVC) [ CH 2 CH ] n CN Poliacrilonitrilo [ CH 2 CH ] n Poliestireno [ CH 2 CH 2 ] n Teflón Fibras para alfombras, redes de pesca, cuerdas, cesped artificial. Cañerías, mangueras, discos, cuero artificial, envoltorios para alimentos, baldosas. Fibras para ropa, alfombras, tapices. Espuma de poliestireno, vasos para bebidas calientes, embalajes, aislamientos. Recubrimientos antiadherentes para utensilios de cocina.
Polímeros de condensación (II). NAILON Monómero 1: ácido adípico Monómero 2: hexametilendiamina El grupo COOH del ácido adípico reacciona con el grupo NH 2 de la hexametilendiamina, desprendiéndose una molécula de agua: Por adición sucesiva de ambos monómeros, se forma finalmente, el polímero:
Polímeros de condensación (III). POLIÉSTERES Polimerización de ácidos carboxílicos y alcoholes: Un tipo importante de poliésteres son los POLICARBONATOS, empleados en la fabricación de lentes ópticas