Ejercicio resuelto de Orgánica · Química · Cataluña · 2024

El 1-butanol o butan-1-ol es un compuesto orgánico con la fórmula molecular $\mathrm{C_4H_{10}O}$. A temperatura ambiente, el butan-1-ol es un líquido parcialmente soluble en agua, pero completamente soluble en disolventes orgánicos. El 1-butanol se encuentra presente en pequeñas cantidades en muchas bebidas producidas por fermentación alcohólica de azúcares y carbohidratos. Se utiliza principalmente como disolvente en la fabricación de barnices y en la producción de acetato de butilo, un aroma artificial y un disolvente ampliamente utilizado.

a) Dibuje la estructura de Lewis semidesarrollada de todos los isómeros constitucionales de posición y de cadena del 1-butanol y nómbrelos. ¿Qué relación de isomería tienen el 1-butanol y el dietiléter o etoxietano? Dibuje la estructura de Lewis semidesarrollada del dietiléter. Defina el término quiralidad molecular. ¿Algún isómero del 1-butanol es quiral? Justifique la respuesta. [1,25 puntos]
b) Cuando el ciclohexanol se calienta en presencia de un ácido inorgánico como el ácido sulfúrico, que actúa de catalizador, se deshidrata y se obtiene el ciclohexeno y agua, según la reacción siguiente:

Se trata de una reacción de equilibrio con la reacción de hidratación de ciclohexeno catalizada por un ácido. Indique a qué tipo de reacciones orgánicas pertenecen tanto la reacción directa como la reacción inversa. Justifique la respuesta. Razone cuál de los dos compuestos, el ciclohexanol o el ciclohexeno, será más soluble en agua. [1,25 puntos]

Datos: Electronegatividad según la escala de Pauling: $\mathrm{H} = 2{,}2$; $\mathrm{C} = 2{,}55$; $\mathrm{O} = 3{,}44$.

$\textbf{a) Dibuje la estructura de Lewis semidesarrollada de todos los isómeros constitucionales de posición y de cadena del 1-butanol y nómbrelos. ¿Qué relación de isomería tienen el 1-butanol y el dietiléter o etoxietano? Defina el término quiralidad molecular. ¿Algún isómero del 1-butanol es quiral? (1,25 puntos)}$

Los isómeros de posición y de cadena conservan el grupo funcional, así que se buscan todos los alcoholes de fórmula $\mathrm{C_4H_{10}O}$. Solo hay dos esqueletos posibles con cuatro carbonos, el lineal y el ramificado, y sobre cada uno se coloca el hidroxilo en las posiciones no equivalentes:

$\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-OH}$ — butan-1-ol, el compuesto de partida, un alcohol primario.

$\mathrm{CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3}$ — butan-2-ol, alcohol secundario. Es isómero $\textbf{de posición}$ del anterior: misma cadena, el $\mathrm{-OH}$ en otro carbono.

$\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH_2-OH}$ — 2-metilpropan-1-ol, alcohol primario. Es isómero $\textbf{de cadena}$: el esqueleto carbonado es ramificado.

$\mathrm{CH_3-C(CH_3)(OH)-CH_3}$ — 2-metilpropan-2-ol, alcohol terciario. Cadena ramificada y $\mathrm{-OH}$ sobre el carbono central.

En los cuatro conviene comprobar que la fórmula molecular se conserva: cuatro carbonos, diez hidrógenos y un oxígeno.

El dietiléter o etoxietano tiene la misma fórmula molecular pero distinto grupo funcional, un éter en lugar de un alcohol:

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

La relación entre el 1-butanol y el etoxietano es, por tanto, de isomería $\textbf{de función}$.

La quiralidad molecular es la propiedad de una molécula que no puede superponerse con su imagen especular, igual que ocurre con la mano derecha y la izquierda —de ahí el nombre—. Las dos formas se llaman enantiómeros. En química orgánica el caso habitual es el de una molécula con un carbono asimétrico o estereocentro, es decir, un carbono unido a cuatro sustituyentes distintos.

De los cuatro isómeros, hay uno quiral: el $\textbf{butan-2-ol}$. Su carbono 2 está unido a cuatro grupos diferentes:

$\mathrm{-OH}, \quad \mathrm{-H}, \quad \mathrm{-CH_3}, \quad \mathrm{-CH_2CH_3}$

Los otros tres no lo son: en el butan-1-ol y en el 2-metilpropan-1-ol el carbono que lleva el hidroxilo tiene dos hidrógenos, y en el 2-metilpropan-2-ol el carbono central lleva tres metilos iguales. Basta que se repita un sustituyente para que la molécula sea superponible con su imagen especular.

$\textbf{b) Indique a qué tipo de reacciones orgánicas pertenecen tanto la reacción directa como la reacción inversa. Justifique la respuesta. Razone cuál de los dos compuestos, el ciclohexanol o el ciclohexeno, será más soluble en agua. (1,25 puntos)}$

En la reacción directa el ciclohexanol pierde una molécula de agua —el grupo hidroxilo de un carbono y un hidrógeno del carbono contiguo— y en su lugar aparece un doble enlace. No entra nada en la molécula, sale: es una reacción de $\textbf{eliminación}$, concretamente una deshidratación de alcohol. El ácido sulfúrico actúa solo de catalizador, así que no figura como reactivo.

$\mathrm{C_6H_{11}OH} \xrightarrow{\ \mathrm{H_2SO_4},\ \text{calor}\ } \mathrm{C_6H_{10}} + \mathrm{H_2O}$

La reacción inversa es la hidratación del ciclohexeno: el doble enlace se abre y sus dos carbonos incorporan, uno el $\mathrm{-OH}$ y el otro el $\mathrm{-H}$ del agua. Ahora la molécula gana átomos y pierde la insaturación: es una reacción de $\textbf{adición}$.

Que las dos sean inversas la una de la otra no es casual: eliminación y adición son procesos opuestos, y por eso pueden coexistir en un mismo equilibrio.

En cuanto a la solubilidad en agua, es claramente mayor la del $\textbf{ciclohexanol}$. Su grupo hidroxilo tiene un enlace $\mathrm{O-H}$ muy polar, con $\Delta \mathrm{EN} = 3{,}44 - 2{,}2 = 1{,}24$, y un oxígeno con pares no enlazantes, de modo que puede formar enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua, tanto cediendo su hidrógeno como aceptando el de ellas.

El ciclohexeno, en cambio, es un hidrocarburo: solo tiene enlaces $\mathrm{C-C}$ y $\mathrm{C-H}$, este último apenas polar ($\Delta \mathrm{EN} = 2{,}55 - 2{,}2 = 0{,}35$), así que la molécula es prácticamente apolar y solo puede interaccionar con el agua mediante fuerzas de dispersión, muy débiles. Disolverlo exigiría romper enlaces de hidrógeno del agua sin nada equivalente a cambio.

Es el principio de que lo semejante disuelve a lo semejante: el ciclohexanol tiene una parte capaz de imitar al agua y el ciclohexeno no. Conviene matizar, eso sí, que la solubilidad del ciclohexanol tampoco es total, porque su anillo de seis carbonos es una parte apolar considerable frente a un único hidroxilo.