Química del carbono: estudio de algunas funciones orgánicas

Contenidos •

Estructura y enlaces en moléculas orgánicas: geometría y polaridad. Isomería geométrica.

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Relación entre fuerzas intermoleculares y las propiedades físicas de los principales compuestos orgánicos (alcoholes, ácidos grasos y ésteres).

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Revisión de la nomenclatura y formulación de las principales funciones orgánicas.

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Los grupos funcionales como centros de reactividad molecular: estudio de los tipos principales de reacciones orgánicas.

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Obtención de alcoholes, ácidos orgánicos y ésteres. Estudio de algunos ésteres de interés. Importancia de alcoholes y ácidos grasos.

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Polímeros y reacciones de polimerización. Valoración de la utilización de las sustancias orgánicas en el desarrollo de la sociedad actual. Problemas medioambientales.

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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 compuestos orgánicos sencillos.

las

fórmulas

desarrolladas

de

•

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.

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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 2propanol) 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.

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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).

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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)

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Identifica la estructura monoméricas de polímeros naturales (polisacáridos, proteínas, caucho) y artificiales (polietileno, PVC, poliamidas, poliésteres).

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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)

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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 sustrato

CH3CH3

Y

RY

reactivo

producto

+

+

CH3CH2 Cl

+

grupo saliente

+

HCl

CH3CH2 OH + Cl

+ OH

RX

X

CH3CH2Cl

Cl2

H

+

AlCl3

R +

HX

Reacciones de adición (I).

La molécula del sustrato gana dos átomos o grupos de átomos, procedentes del reactivo

Y CC

+

YZ

Z

 C C 

Adición de halogenuros de hidrógeno (regla de MARKONIKOV):

H CH3CH CH2 + H Cl

CH3CHCH2 Cl

CH3CHCH3 + Cl

CH3CHCH3

Adición de halógenos: Br

CH3CH  CHCH3 +

Br2

Br

CH3  CH CH  CH3

Adición de hidrógeno en presencia de catalizadores: H CH3CH CH2 + H2

H

CH3CHCH2

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

H deshidratación de un alcohol

AB

OH H2SO4

CH2 CH2

H deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo

+

H2CCH2 + H2O

Cl

CH3 CH2 CH2 + KOH

CH3CH CH2 + KCl + H2O

Br H doble eliminación

CH3 C CH + 2KOH H Br

CH3 C  CH + 2KBr + 2H2O

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 O

O CH3 C

+

CH3 CH2 N H

OH

CH3 CN  CH2 CH3 + H2O

H

H

esterificación o reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol para formar un éster O CH3 C

+ OH

CH3 O  H

O CH3 C

O  CH3

+ H2O

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 CH3CH2CH2CH3 + 13/2 O2

4CO2 + 5H2O + 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 K2Cr2O7 o con KMnO4 La reducción se suele realizar con LiAlH4 RCH2OH

oxidación

RCHO

reducción reducción

oxidación

RCOOH

Reacciones químicas principales • Sustitución: – un grupo entra en lugar de otro que sale. – CH3–Cl + H2O  CH3–OH + HCl

• Adición: a un doble o triple enlace – CH2=CH2 + Cl2  CH2Cl–CH2Cl • Eliminación: de un grupo de átomos. – Se produce un doble enlace

– CH3–CH2OH 

CH2=CH2 + H2O

• Redox: (cambia el E.O. del carbono). – CH3OH + ½ O2  HCHO + H2O

• 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: • CH3–CH=CH2 + H2 • CH3–CH=CH2 + Cl2

• CH3–CH=CH2 + HBr

  

CH3–CH2–CH3 CH3–CHCl–CH2Cl

CH3–CHBr–CH3 (mayor proporción)

• CH3–CH=CH2 + H2O (H+)  CH3–CHOH–CH3 (mayor proporción)

• Nucleófila: CH3–CO–CH3 + HCN

CN



|

CH3 –C–CH3 |

OH

Ejemplos de Sustitución nucleófila. • Sustitución de derivados clorados: (CH3)3C–Cl + NaOH  (CH3)3C–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.

CH3–CH2–CH2–Cl + 2 NH3  CH3–CH2–CH2–NH2 + NH4Cl

• Sustitución de alcoholes:

CH3–CH2–OH + HBr  CH3 CH2–Br + H2O

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 CH3CH2CH2CH3 + 13/2 O2

Sustitución:

4CO2 + 5H2O + energía

Por radicales libres: el reactivo atacante es un radical libre producido en una ruptura homolítica

CH3CH3

+

Cl2

CH3CH2Cl

+

HCl

Eliminación: halogenuros de alquilo sufren una deshidrohalogenación con KOH H

Cl

CH3 CH2 CH2 + KOH

CH3CH CH2 + KCl + H2O

ALQUENOS (OLEFINAS) Y ALQUINOS • adición de: HCl Br2,Pierde el color marrón-rojizo H2 (Pt,Ni como catalizador) H2O (ácidos como catalizadores, H3PO4) Regla si es asimétrica el H se adiciona al carbono que tiene más hidrógenos

CH3CH CH2 • oxidación CH3–CH=CH–CH3

KMnO4

CH3 –CHOH–CHOH–CH3

BENCENO Y SUS DERIVADOS • Reacciones de sustitución. La más importante alquilación. Un hidrógeno es sustituido por un resto orgánico (R-) H +

RX

AlCl3

R +

HX

Alcoholes • Eliminación de agua: deshidratación usando ácidos sulfúrico o fosfórico u óxido de aluminio como catalizadores H

OH

CH2 CH2

H2SO4

H2CCH2 + H2O

• Oxidación con dicromato de potasio o permanganato de potasio Alcoholes primarios oxidación a aldehídos y posteriormente a ácidos Alcoholes secundarios oxidación a cetonas RCH2OH

oxidación

RCHO

oxidación

RCOOH

• Esterificación: ácido + alcohol  ester + agua O CH3 C

+ OH

CH3 O  H

O CH3 C

O  CH3

+ H2O

Aldehídos, cetonas y ácidos • Reducción con LiAlH4 a alcoholes • Adición (poco importante) OH

O CH3 C

+

H CN

H

CH3  C  H CN

• Esterificación (ácido + alcohol éster + agua • Formación de amida: ácido + amina amida + agua O

O CH3 C

+ OH

CH3 CH2 N H H

CH3 CN  CH2 CH3 + H2O 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 ácidos nucleicos, el hule natural, etc. Sintéticos: nylon, teflón, poliestireno, poliéster, etc.

(almidón),

polietileno,

PVC,

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

POLÍMERO

polimerización

F F F F

CC

F

polimerización

F

Monómero: tetrafluoretileno

F F

F F

 C C  C C  C C  F F

F F nF 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 H H

CC

H H

Monómero: etileno

Polimerización Catalizador

H H

H H

 C C  C C  C C  H H

H H nH 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 (C6H12O6)

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 Teflón

C - C F

F

Anti adherente usado en sartenes

n

Polímeros de adición Monómero

Polímero

CH2CH2

[CH2CH2 ] n

Eteno CH2CH CH3 Propeno

CH2CHCl Cloroeteno CH2CHCN

Polietileno [CH2CH ] n CH3 Polipropileno

[CH2CH ] n Cl Policloruro de vinilo (PVC) [CH2CH ] n

Acrilonitrilo

CN Poliacrilonitrilo

CH2CH 

[CH2CH ] n

Estireno

Poliestireno

CF2CF2 Tetrafluoreteno

[CH2CH2 ] n Teflón

Usos típicos Contenedores, tuberías, bolsas, juguetes, cables aislantes. 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 –NH2 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