Reacción química del alcohol
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REACCIONES ORGÁNICAS DE IMPORTANCIA
1. COMBUSTIÓN
2. SUSTITUCIÓN
3. ADICIÓN
4. ELIMINACIÓN
5. OXIDACIÓN
6. REDUCCIÓN
COMBUSTIÓN DE UN HIDROCARBURO
La combustión es un proceso mediante el cual, por ejemplo, los combustibles fósiles son transformados en CO2, H2O y mucha energía. La combustión requiere de grandes cantidades de oxígeno. Las combustiones de alcanos son quizá las reacciones más comunes. Recordemos que son fuente primaria de energía y que se les clasifica como parafinas precisamente por su poca reactividad a las reacciones químicas.
Ejemplo
2 C8H18 + 27 O2 16 CO2 + 18 H2O
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN
En la reacción de sustitución se sustituyen átomos o partes de la molécula por otros átomos o partes de otras moléculas. Una de sus carácterísticas es que la hibridación del átomo de carbono sobre el cual ocurre la sustitución no cambia su hibridación.
Nota: cuando se reemplaza un hidrógeno por un halógeno, la reacción recibe el nombre de halogenación y si se reemplaza por un grupo nitro, nitración.
SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA
En la sustitución electrofílica la especie que se une al sustrato es un electrófilo, por lo que ocurre con sustratos con una alta densidad electrónica, como por ejemplo un compuesto aromático.
Nitración del benceno
NOTA:
Las reacciones de sustitución electrofílica aromática son 25 veces más rápidas con tolueno que con benceno, por ello se dice que el tolueno está activado respecto del benceno frente a la reacción de sustitución electrofílica aromática. La nitración del tolueno da una mezcla de
productos, en la que los mayoritarios son los que resultan de la sustitución en las posiciones orto y para. Se dice que el grupo metilo del tolueno activa las posiciones orto y para en sustituciones electrofílicas.
SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA
Sustitución Nucleofílica Bimolécular (SN2)
Una reacción SN2 se caracteriza porque el nucleófilo es quien desplaza al grupo saliente, por lo que es necesario que ambos estén presentes, de ahí su nombre de bimolecular. En esta reacción no hay intermediarios, solo
hay un máximo energético y este máximo corresponde a la barrera de energía de activación que los reactantes al formar el complejo activado deben vencer, oscilando entre ir hacia atrás para formar nuevamente los reactivos, o ir hacia adelante avanzando en la coordenada de reacción hasta llegar a los productos.
Sustitución Nucleofílica Unimolécular (SN1)
En la reacción SN1 es el propio sustrato quien elimina al grupo saliente sin que intervenga directamente el nucleófilo. Debido a esto, es una reacción en dos etapas, donde la primera etapa involucra la formación de un carbocatión tras la pérdida del grupo saliente. Es importante la naturaleza del grupo saliente en la velocidad de reacción. El carbocatión formado, tiene como ya sabemos, una estructura plana, susceptible de ser atacada, por la especie nucleofílica, por ambos lados.
En las reacciones de sustitución nucleofílica es muy importante el tipo de sustrato que ha de reaccionar. Mientras más sustituido se encuentra el carbono que ha de reaccionar mayor tendencia a que ocurra una reacción SN1 y mientas menos sustituido es más probable que se producto una reacción SN2.
REACCIONES DE ADICIÓN
La adición se refiere a la inclusión de átomos o porciones moleculares en un sustrato estable e insaturado (normalmente la molécula de partida presenta dobles o triples enlaces que se pierden). El producto de una reacción de adición es siempre una molécula más saturada.
HIDROGENACIÓN
Consiste en agregar hidrógenos a un doble enlace usando un catalizador metálico (platino, paladio o níquel). Industrialmente el proceso de hidrogenación se utiliza para lograr que algunos aceites líquidos a temperatura ambiente se transformen en sólidos y se puedan comercializar como margarinas. El proceso de adición es simple pero se complica al usar moléculas más grandes y complejas. En este caso la molécula que se adiciona es simétrica (H-H) por lo que no hay diferencia en los productos que puedan obtenerse. Lo mismo ocurre con la reacción de halogenación (adición de Cl2, Br2 o I2)
Al usar moléculas grandes se pueden obtener varios productos, ya que al cambiar el la molécula que se adiciona por una que no sea simétrica (H-X) se pueden producir 2 moléculas diferentes. Para decidir dónde se adiciona la especie X y dónde el hidrógeno se aplica la regla de
Markovnikov
•El hidrógeno se adiciona al carbono del doble enlace que posee más hidrógenos y el halógeno en el carbono vecino.
HIDRATACIÓN
Se refiere a la adición de agua al doble enlace, esta reacción se realiza en medio ácido y obedece a la regla de Markovnikov, en este caso se obtiene un alcohol como producto.
HIDROHALOGENACIÓN
Se refiere a la adición de HX (donde X es un halógeno) al doble enlace, esta reacción obedece a la regla de Markovnikov, formando el halogenuro de alquilo más sustituido como producto. La cloración de los alquenos, la hidrogenación de alquenos (obtención de alcanos) y las reacciones de polimerización por adición, son todas reacciones de adición.
REACCIONES DE ELIMINACIÓN
En la eliminación se produce la salida de átomos desde la molécula de partida, generando un producto más insaturado. Las reacciones de eliminación se consideran contrarias a las reacciones de adición.
Deshidratación de alcoholes: La deshidratación de alcoholes es un tipo especial de eliminación. Al eliminar una molécula de agua de un alcohol se obtiene un alqueno (deshidratación intramolecular), pero si se modifican las condiciones termodinámicas y el ácido usado puede obtenerse un
éter y no un alqueno (deshidratación intermolecular).
OXIDACIÓN DE ALCOHOLES
En química orgánica, la oxidación es el fenómeno mediante el cual las moléculas aumentan el número de enlaces con el oxígeno a medida que pierden átomos de hidrógeno. El carbono que sostiene el grupo -OH es el que pierde hidrógeno. La oxidación se puede hacer tantas veces como hidrógenos tenga el átomo de carbono. El agente oxidante que aporta con oxígenos es normalmente una sal inorgánica.
En un alcohol primario el carbono que reacciona tiene 2 hidrógenos, por lo tanto, la oxidación puede ocurrir en 2 pasos. En el primero se obtiene un aldehído y en el segundo un ácido carboxílico. La misma reacción puede ocurrir en una sola etapa y el alcohol se transforma rápidamente en un ácido carboxílico.
En un alcohol secundario sólo puede ocurrir 1 oxidación ya que el carbono que reacciona sólo presenta 1 átomo de hidrógeno. El producto obtenido es una cetona.
En un alcohol terciario NO hay reacción ya que el carbono que reacciona no posee átomos de hidrógeno.
Reducción de ácido carboxílico a alcohol
El hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) un reductor poderoso ataca a los ácidos carboxílicos reducíéndolos a alcoholes
REACCIONES DE ESTERIFICACIÓN
Los ésteres son funciones orgánicas compuestas que se pueden sintetizar a partir de alcoholes en reacción con ácidos carboxílicos. Esta síntesis va acompañada de eliminación de agua y se denomina síntesis por deshidratación. La reacción inversa a la esterificación se llama hidrólisis.
El esquema general es:
Alcohol+Ácido H O 2 Éster
R’-OH + R-COOH H O 2 R-COO-R’
La reacción de esterificación puede ser revertida. Esta reacción puede ocurrir en medio ácido o básico. En medio ácido se denomina Hidrólisis y se regenera el ácido del cual proviene el ester.
En medio básico se denomina Saponificación y se obtiene la sal básica del ácido del cual proviene el ester. En ambos casos se produce libera el alcohol que formó el ester.
REPRESENTACIÓN TRIDIMENSIONAL DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS
EL ÁTOMO DE CARBONO
Como ya hemos visto, la química orgánica basa su estudio en las estructuras con átomos de carbono. Éste, al ser tetravalente, puede presentar distintas geometrías, entre ellas, la disposición Tetraédrica, las que permite predecir que la gran mayoría de moléculas saturadas hidrocarbonadas (sustituidas o no) poseen geometrías tridimensionales. Un es la molécula de nombre 3-cloro-2-butanol.
Como se puede observar, la molécula presenta en los carbonos 2 y 3 un átomo de hidrógeno que ha sido omitido. Al mostrar dicho átomo, los carbonos adquieren tridimensionalidad, pues la representación de cada uno es ahora la de una estructura tetraédrica.
Debido a lo anterior es necesario expresar esta tridimensionalidad en la estructura mediante algún tipo de convenio o esquema que sea claro para cualquier estructura orgánica.
1. CUÑA
Aquí el trazo continuo indica un enlace en el plano. El trazo sólido que se engruesa en forma de cuña indica que el enlace se proyecta por encima del plano. Mientras que los trazos punteados o segmentados se proyectan hacia atrás del plano. Este tipo de estructura permite representar moléculas con carbonos simétricos o asimétricos con hibridación sp3, de modo que es muy útil para ejemplificar estructuras saturadas.
2. NEWMAN
En este tipo de representación se dispone la molécula a lo largo de un enlace carbonocarbono.
El átomo que queda más próximo al espectador está representado por un punto desde el cual emergen radialmente los otros tres enlaces. El átomo de carbono posterior y más lejano al espectador, está representado por un círculo desde cuyo perímetro salen radialmente también los otros enlaces de los demás sustituyentes. En la figura se representa el 3-cloro-2-butanol.
3. CABALLETE
En este caso se dispone la molécula en perspectiva, oblicuamente desde arriba y los enlaces son trazos delgados y continuos. Es posible girar los carbonos (como en este caso donde el carbono más cercano se hace girar en 180°) para mayor comodidad. Para esto, se invierten completamente las posiciones de los sustituyentes. En la figura, el grupo metilo que estaba debajo, ahora está arriba. El fragmento hidroxilo que estaba arriba y a la derecha ahora se dispone abajo y la izquierda, mientras que el hidrógeno que estaba arriba a la izquierda ahora se dispone abajo y a la derecha.
4. Fischer
Esta forma de representar las moléculas, es la visión desde una posición superior. El enlace carbono-carbono queda sobre el plano del papel. Los trazos horizontales son los enlaces que emergen desde el plano del papel hacia el espectador. Los trazos punteados son los enlaces que se proyectan hacia atrás del plano del papel alejándose del espectador. El dibujo del centro demuestra esta situación. Sin embargo, lo que se encuentra normalmente en literatura es el dibujo de la derecha. Por lo tanto, hay que tener en mente y respetar las convenciones que están implícitas en este tipo de dibujo.
Isomería ESTRUCTURAL
CADENA
2,2 dimetil – propano n- butano ciclobutano 2 metil-1 propeno
(C5H12) (C5H12) (C4H8) (C4H8)
POSICIÓN
etil pentil éter butil propil éter
(C7H16O) (C7H16O)
FUNCIÓN
Butanona butanal
(C4H8O) (C4H8O)
ISOMERÍA ESPACIAL
Isomería CONFORMACIONAL
El ciclohexano suele representarse como un hexágono regular sin embargo, su estructura no es plana. Cuando se dibuja de forma tridimensional adopta una conformación espacial que se denomina silla, la cual, mediante una torsión, se transforma en otra más inestable denominada bote y luego en otra silla que será isómero conformacional de la primera, pues sus enlaces cambian de orientación espacial. Los enlaces en ciclohexano se denominan axiales si son verticales y ecuatoriales si se disponen diagonalmente.
ISOMERÍA GEOMÉTRICA (isomería E, Z)
Se presenta sólo en aquellas moléculas que tienen dobles enlaces asimétricos, pues la geometría trigonal plana del carbono (en este caso) le permite, a veces, disponer espacialmente los radicales de 2 formas (cis y trans).
En ambos casos los sustituyentes o radicales son cloros, así cuando se encuentran cercanos en el espacio se denominan cis y cuando están opuestos al plano que forma el doble enlace son trans.
Como puede apreciarse el hecho de tener los cloros en posiciones distintas no sólo afecta al nombre sino también a las propiedades físicas y químicas, pues ambos alquenos reaccionan distinto frente algunos reactivos. El doble enlace le impide a la molécula rotar y fija las posiciones de los radicales alrededor del doble enlace.
En una molécula donde todos los carbonos son sp3 no existe isomería cis ni trans pues el enlace entre los carbonos tiene libre rotación y la molécula está siempre girando.
Libre
Rotación
Iguales
Es importante hacer notar que si los sustituyentes se encuentran sobre el mismo
carbono no existe modo de diferenciarlos.
1,1 Dicloro Eteno
Al ir aumentando la cantidad de moléculas orgánicas surgieron alquenos con más de dos sustituyentes que también presentaron diferencias en sus propiedades, entonces se creó la nomenclatura E y Z. Se denomina Z (cis), cuando los radicales más grandes de cada carbono del doble enlace están cercanos y E (trans) cuando los radicales más grandes están en sentido
opuesto. A esta nomenclatura se le considera absoluta pues es capaz de clasificar cualquier alqueno y si bien reemplaza al cis y trans, estos aún siguen siendo utilizados.
ISOMERÍA ÓPTICA
Es la isomería más específica de todas, aquí las moléculas sonprácticamente iguales: misma cadena, mismos radicales, excepto que están ordenados espacialmente de distinta manera, lo cual hace que las moléculas desvíen la luz en sentidos distintos. A esta isomería también se le conoce como óptica.
La isomería óptica se puede presentar sólo en aquellas moléculas con carbonos terciarios o cuaternarios y siempre que estos tengan 4 radicales distintos, si es así a ese carbono se le llama centro estereogénico.
El principio de esta isomería es que si el centro estereogénico (carbono Cuaternario) tiene 4 radicales distintos, basta con un solo cambio en la distribución de estos radicales para que las dos moléculas resultantes sean imágenes especulares quirales, (no superponibles)
Los isómeros (moléculas analizadas) en este caso se denominan isómeros ópticos R y S y como son imágenes especulares (reflejos en un espejo) se denominan ENANTIÓMEROS.
Cantidad de Isómeros
La cantidad de isómeros ópticos de una molécula depende de cuantos centros estereogénicos
tiene, así
Isómeros = 2^n
n = N° de centros estereogénicos