Compuestos Oxigenados Alcoholes Acidos y Esteres

Química 2º Bachillerato Compuestos oxigenados

COMPUESTOS ORGÁNICOS OXIGENADOS

Introducción

Los compuestos oxigenados orgánicos son numerosos puesto que el átomo de oxígeno, dada su estructura, permite una gran variedad de enlaces y posibilidades de combinación.

Según sean los grupos funcionales en los cuales está presente el oxígeno, los compuestos oxigenados se clasifican en alcoholes (R-OH), fenoles (Ar-OH), aldehídos (R-CHO), cetonas (R-CO-R'), ácidos carboxílicos (R-COOH), ésteres (R-COOR') y éteres (R-O-R'). Las propiedades de cada uno de estos grupos son totalmente diferentes y en este tema pretendemos dar únicamente una introducción a algunos de ellos, destacando su nomenclatura, características y reacciones más importantes.

1.- ALCOHOLES

Se denomina alcohol a toda sustancia que posea un grupo oxidrilo (OH) unido directamente a un átomo de carbono. Pueden clasificarse en:

a. Alcoholes primarios : Se caracterizan porque el carbono unido al grupo -OH está en un extremo de la cadena:

3 2 1 CH3 – CH2 – CH2 – OH 1- propanol

Se nombran igual que el hidrocarburo del que provienen pero con la terminación ol. Si el alcohol no es la función principal, se nombran con el prefijo hidroxi con la

numeración correspondiente, por ejemplo:

O 3 2 1

CH2 – CH2 – C ácido 3- hidroxipropanoico OH OH

b. Alcoholes secundarios : La función alcohol está en un carbono secundario:

3 2 1 CH3 – CH – CH3 2- propanol

OH

y, de la misma manera que antes, si la función alcohol no es la principal:

O 4 3 2 1

CH3 – CH – CH – C ácido 2- hidroxi -3- metilbutanoico CH3 OH OH

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(recuerda que hay que nombrar los sustituyentes por orden alfabético)

c. Alcoholes ternarios : La función alcohol está en un carbono ternario.

1 CH3 2

CH3 – CH – OH 2- metil- 2- propanol o terbutanol 3

CH3

d. Alcoholes aromáticos : Los compuestos que llevan el grupo -OH sobre anillos bencénicos monocíclicos y bicíclicos se llaman respectivamente fenoles y naftoles. Por ejemplo:

OH OH

Fenol 2- naftol (hidroxibenceno)

Propiedades físicas

Los alcoholes de menos átomos de carbonos son solubles en agua debido a la polaridad del grupo oxidrilo:

- + R – O – H

al ir aumentando el peso molecular, la solubilidad va disminuyendo, dado que el resto de la cadena no es polar (por la escasa diferencia de electronegatividad que hay entre el C y el H y la simetría de los enlaces).

El punto de ebullición va aumentando a medida que aumenta el número de átomos de carbono de la cadena. Los alcoholes de menos átomos de carbono (metanol, etanol), tienen puntos de ebullición anormalmente altos en relación a otros compuestos orgánicos de peso molecular parecido, debido a los enlaces de hidrógeno:

+ - + - + - H – O …… H – O …… H – O

R R R enlaces de hidrógeno

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Obtención

a) Hidrólisis de halogenuros de alquilo. Es una reacción de doble sustitución o intercambio.

R – X + K – OH R – OH + K – X siendo X = halógeno Ejemplo:

CH3 – CH2 – Cl + KOH CH3 – CH2OH + KCl

b) Hidratación de alquenos. Es una reacción de adición en la que se rompe el doble enlace y sus carbonos se unen a un H y un OH siguiendo la regla de Marcovnikov: el H se une al carbono que mayor número de H tiene:

CH3 – CH = CH2 + H – OH CH3 – CHOH – CH3

propeno 2- propanol

c) Fermentación de líquidos azucarados: Por ejemplo, el etanol o alcohol etílico (que es el "alcohol" del lenguaje vulgar), constituyente embriagante de las bebidas alcohólicas, se obtiene por la fermentación de azúcares por la acción de levaduras:

levadura C6H12O6 2 CH3 – CH2OH + 2 CO2

glucosa etanol

Reacciones químicas En los alcoholes podemos distinguir dos tipos de enlaces:

- +

R – O – H el enlace R-O y el enlace O-H

Según cuál de los dos se rompa dará lugar a tipos diferentes de reacciones:

a.- Rotura del enlace O - H : Es el caso menos frecuente. Se produce en presencia de un metal alcalino obteniéndose un compuesto iónico denominado alcóxido. Por ejemplo:

2 CH3 – OH + 2 Na 2 CH3 – ONa + H2 el CH3ONa se llama metóxido sódico.

b.- Rotura del enlace R - O : Hay varios tipos de ellas.

i. Sustitución: un átomo o grupo de átomos de la cadena es sustituido por otro

CH3 – CH2 – OH + HBr CH3 – CH2 – Br + H2O

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es una reacción muy empleada para la obtención de derivados halogenados.ii. Deshidratación. Es una reacción de eliminación en la que se pierde agua,

entre dos átomos contiguos de la cadena, originándose un doble enlace:

H OH agente R – C – C – R´ R – C = C – R´ + H2O deshidratante H H H H

los agentes deshidratantes más utilizados son el ácido sulfúrico (H2 SO4), el bisulfato sódico (NaHSO4) y el ácido fosfórico (H3PO4). Por ejemplo:

H2SO4

CH3 – CH2 – CH2OH CH3 – CH = CH2 + H2O

n-propanol propeno

c.- Reacciones de oxidación con agentes inorgánicos como el ión permanganato o el ión dicromato:

MnO4-

, Cr2O72-

- Con alcoholes primarios se obtiene el ácido correspondiente (pasando por el aldehído como producto intermedio): O O MnO4

- MnO4-

R – CH2OH R – C R – C H OH

alcohol 1º aldehído ácido

I.O. (C) = -1 I.O. (C) = +1 I.O. (C) = +3 - Si el alcohol es secundario se obtiene la cetona correspondiente:

OH O MnO4

-

R – C – R´ R – C – R´

H

alcohol 2º cetona

- Si el alcohol es ternario no se produce la reacción en condiciones normales:

OH MnO4

-

R – C – R´ no reacciona

R´´

alcohol 3º

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2.- ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

Estructura

Se caracterizan por tener un grupo llamado carboxilo (-COOH). Su estructura es:

Nomenclatura

Los ácidos de más bajo peso molecular poseen nombres característicos muy arraigados que se utilizan con mucha frecuencia:

Fórmula NombreHCOOH Ac. metanoico (fórmico)

CH3 - COOH Ac. etanoico (acético)CH3 - CH2 - COOH Ac. propanoico (propiónico)

CH3 - CH2 - CH2 - COOH Ac. butanoico (butírico) La IUPAC recomienda nombrarlos con la palabra ácido delante y la terminación oico. La cadena principal no tiene porque ser la más larga sino aquella que contiene al grupo carboxilo, y el carbono de este grupo es el numerado como "1" a la hora de nombrar los posibles sustituyentes. Por ejemplo:

Los grupos carboxilo, es evidente que sólo pueden situarse en carbonos terminales, por lo que si en una misma molécula hay dos grupos ácido, no es necesario especificar dónde se encuentran:

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También los grupos carboxílicos pueden unirse a grupos aromáticos. Uno de los más importantes es el llamado ácido benzoico (C6H5COOH):

Propiedades físicas

- Los ácidos de pocos átomos de carbono son solubles en agua, debido a la polaridad del enlace C – O , y poseen un olor desagradable.

-

O – C + O – H - +

- Los de más bajo peso molecular tienen puntos de ebullición elevados comparados con los que poseen otras sustancias de peso molecular parecido debido a los enlaces de hidrógeno, que hasta incluso hacen que las moléculas de ácido se puedan dimerizar:

- Son, por lo general, ácidos débiles, debido a la facilidad que tienen para desprender protones:

y el anión presenta una estructura resonante en la que los dos enlaces C-O son iguales:

Dicha acidez disminuye a medida que aumenta su peso molecular. Observa los pKa que se dan en la siguiente tabla:

Fórmula Nombre pKa

HCOOH Ac. fórmico 3'75CH3 - COOH Ac. acético 4'75

CH3 - CH2 - COOH Ac. propanoico 4'87CH3 - CH2 - CH2 - COOH Ac. butanoico 4'81

Obtención

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Por oxidación de alcoholes primarios y/o aldehídos. Los agentes oxidantes químicos convierten a los alcoholes primarios en aldehídos y éstos últimos se oxidan fácilmente a ácidos:

Reacciones químicas a. Reacciones de neutralización :

b.- Reacciones de formación de ésteres : Es una reacción de condensación (adición +

eliminación). Se pueden catalogar también como reacciones de neutralización actuando el alcohol como una base:

c. Reacciones de reducción : El tratamiento de un ácido con ciertos agentes reductores (como los hidruros metálicos complejos), conduce al alcohol primario correspondiente:

I.O. (C) = +3 I.O. (C) = +1 I.O. (C) = -1

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d. Reacciones de deshidratación : Es una reacción de condensación (adición + eliminación) Dos moléculas de ácido se unen perdiendo agua cuando se les somete a fuerte calefacción dando lugar a lo que se denomina un anhídrido:

e. Formación de cloruros de ácido :

Algunos ácidos carboxílicos importantes

Ácido fórmico (HCOOH): Se encuentra en las hormigas y en las ortigas. El dolor de las picaduras de abejas, avispas, medusas, pólipos etc. es debido a dicho ácido.

Ácido acético (CH3-COOH): Es muy importante industrialmente ya que se emplea para obtener acetato de celulosa, que se utiliza para la producción de películas fotográficas y cinematográficas ininflamables, vidrio inastillable, lacas y barnices. También es el responsable de la acidez del vinagre.

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3.- ÉSTERES

Estructura

Los ésteres tienen la siguiente estructura:

Obtención y nomenclatura

Resultan de la unión de un ácido con un alcohol. Se trata de una reacción de condensación (adición + eliminación) que se llama esterificación:

Se nombran citando primero la raíz del ácido cambiando su terminación por el sufijo ato y a continuación el nombre del radical correspondiente al alcohol. Por ejemplo:

Los ésteres son compuestos muy difundidos en la naturaleza. Los que provienen de ácidos con pocos átomos de carbono forman parte de las esencias de flores y frutas, y son los responsables de su aroma.

Así, el acetato de isoamilo se encuentra en el plátano, el butirato de amilo en el albaricoque, el acetato de etilo en la piña tropical etc.

Los ésteres de los ácidos alifáticos lineales de cadena larga constituyen los aceites, grasas y ceras que tanto abundan en los reinos animal y vegetal.

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Reacciones químicas

La única reacción importante de los ésteres es su hidrólisis en medio básico, que lleva consigo la ruptura de enlaces.

a. Con agua para dar el ácido y el alcohol correspondiente:

éster + agua ácido + alcohol

como se puede observar, es la reacción inversa a la formación de ésteres, ya que son reacciones de equilibrio.

b. Con álcalis para dar la sal y el alcohol correspondiente:

Un ejemplo particular de este tipo de reacciones es la llamada saponificación de grasas. Dicho proceso consiste en la reacción de hidrólisis de grasas (que son poliésteres) con álcalis fuertes, para la producción de ácidos grasos y jabón (sal sódica). Por ejemplo:

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