Ejercicio resuelto de Orgánica · Química · Cataluña · 2024

El infrarrojo es la parte del espectro electromagnético comprendida entre las regiones visible y de microondas. Es una radiación poco energética que solo provoca cambios en los niveles de energía vibracional de los enlaces de las moléculas. Es decir, la energía de esta radiación es capaz de provocar un salto desde el nivel fundamental de energía vibracional hasta un nivel excitado. El infrarrojo es la técnica espectroscópica ideal para identificar rápidamente los tipos de grupos funcionales presentes en un determinado compuesto orgánico o material.

a) Encierre en un círculo y nombre todos los grupos funcionales de las moléculas A, B y C que se indican a continuación. Dibuje las tres moléculas A, B y C añadiendo los pares de electrones no compartidos en los heteroátomos (átomos que no son C ni H). [1,25 puntos]

b) A continuación se muestra el espectro de infrarrojo de una de las moléculas (A, B o C) del apartado anterior. Razone a cuál de las tres moléculas pertenece el espectro. Indique qué señal o señales del espectro le permiten identificar la molécula y qué señales serían comunes en las tres moléculas. [1,25 puntos]


Datos espectroscópicos en la región del infrarrojo:

Enlace	Intervalo del número de onda ($\mathrm{cm^{-1}}$) $\mathrm{C-H}$	2850-3000 $\mathrm{O-H}$	3550-3200 $\mathrm{C{=}C}$	1500-1650 $\mathrm{C{=}O}$	1650-1750 $\mathrm{C-O}$	1000-1300 $\mathrm{C-N}$	1100-1250

$\textbf{a) Encierre en un círculo y nombre todos los grupos funcionales de las moléculas A, B y C. Dibuje las tres moléculas A, B y C añadiendo los pares de electrones no compartidos en los heteroátomos (átomos que no son C ni H). (1,25 puntos)}$

Los pares no compartidos no hay que memorizarlos: en un átomo neutro se obtienen restando a sus electrones de valencia los que emplea en enlaces y repartiendo el resto en pares. Un oxígeno, con 6 electrones de valencia y dos enlaces —dos simples o uno doble—, conserva siempre $(6-2)/2 = 2$ pares; un nitrógeno, con 5 y tres enlaces, conserva $(5-3)/2 = 1$ par.

Molécula A. Es el 2-hidroxibenzoato de metilo, más conocido como salicilato de metilo:

$\mathrm{C_6H_4(OH)\text{-}COO\text{-}CH_3}$

Se rodean dos grupos funcionales: el $\mathrm{-OH}$ unido directamente al anillo aromático, que es un grupo hidroxilo de tipo fenol, y el $\mathrm{-COO-}$, que es un éster. Además está el propio anillo bencénico. Los heteroátomos son tres oxígenos, y cada uno lleva dos pares no compartidos: el del fenol, el del carbonilo del éster y el oxígeno que une el carbonilo con el metilo. En total, seis pares.

Molécula B. Es un anillo de ciclohexanona con un sustituyente 1-metilpirrolidin-2-ilo en la posición 3. Se rodean el carbonilo del anillo de seis, que es una cetona, y el nitrógeno del anillo de cinco, unido a un metilo y a dos carbonos del ciclo, que es una amina terciaria. Los heteroátomos son dos: el oxígeno de la cetona, con dos pares no compartidos, y el nitrógeno, que al formar tres enlaces conserva un solo par. En total, tres pares.

Molécula C. Es el 3-metoxipropanal:

$\mathrm{CH_3\text{-}O\text{-}CH_2\text{-}CH_2\text{-}CHO}$

Se rodean el $\mathrm{-O-}$ intercalado en la cadena, que es un éter, y el $\mathrm{-CHO}$ del extremo, que es un aldehído. Los dos oxígenos llevan dos pares no compartidos cada uno: cuatro en total.

$\textbf{b) Razone a cuál de las tres moléculas pertenece el espectro de infrarrojo. Indique qué señal o señales del espectro le permiten identificar la molécula y qué señales serían comunes en las tres moléculas. (1,25 puntos)}$

Lo que hay que buscar es una banda que solo pueda proceder de una de las tres moléculas.

La señal decisiva está en torno a 3200 $\mathrm{cm^{-1}}$: es ancha, profunda —baja hasta cerca del 50 % de transmitancia— y cae dentro del intervalo 3200-3550 $\mathrm{cm^{-1}}$ que la tabla asigna al enlace $\mathrm{O-H}$. De las tres moléculas, la única con un enlace $\mathrm{O-H}$ es la A, por su grupo fenol; ni la B ni la C tienen ningún hidrógeno unido a oxígeno. Su gran anchura es además la típica de un $\mathrm{O-H}$ asociado por enlaces de hidrógeno.

El espectro corresponde, por tanto, a la molécula A.

Otras dos zonas refuerzan la conclusión. Las bandas entre 1500 y 1650 $\mathrm{cm^{-1}}$ son las del $\mathrm{C{=}C}$ del anillo aromático, que no tienen ni la B ni la C, ambas sin insaturaciones carbono-carbono. Y en la región de 1000-1300 $\mathrm{cm^{-1}}$ aparecen absorciones intensas de $\mathrm{C-O}$, compatibles con el éster.

Serían comunes a las tres moléculas dos conjuntos de señales. Las de $\mathrm{C-H}$, entre 2850 y 3000 $\mathrm{cm^{-1}}$, porque las tres tienen hidrógenos unidos a carbono; se ven en el espectro como los picos estrechos justo a la derecha de la banda ancha. Y la banda intensa de $\mathrm{C{=}O}$, hacia 1680 $\mathrm{cm^{-1}}$, dentro del intervalo 1650-1750, ya que A tiene un éster, B una cetona y C un aldehído. Precisamente por ser comunes, ninguna de las dos sirve para distinguir las moléculas: la que decide es la de $\mathrm{O-H}$.