Ejercicio resuelto de Orgánica · Química · La Rioja · 2020

La reacción de bromuro de hidrógeno con un alqueno terminal A $(\text{C}_4\text{H}_8)$ conduce a un compuesto B, que presenta en su estructura un grupo terc-butilo. La reacción de B con cianuro de potasio produce el nitrilo C $(\text{C}_5\text{H}_9\text{N})$.

a) Escriba las reacciones que tienen lugar, dibujando las estructuras de los compuestos A, B y C e identifique de qué tipo de reacción se trata cada una de ellas. (1 punto)

b) Dibuje las estructuras y escriba el nombre de todos los posibles isómeros estructurales y geométricos de los hidrocarburos de fórmula $\text{C}_4\text{H}_8$. (1 punto)

$\textbf{a) Escriba las reacciones que tienen lugar, dibujando las estructuras de los compuestos A, B y C e identifique de qué tipo de reacción se trata cada una de ellas. (1 punto)}$

La pista decisiva está en B: si contiene un grupo $\textbf{terc-butilo}$, tiene que ser el $\mathrm{(CH_3)_3C-Br}$, con el bromo sobre el carbono más sustituido. Y eso obliga a que el alqueno de partida sea el ramificado, no el lineal.

$\textbf{A}$ es, por tanto, el $\textbf{2-metilpropeno}$, que en efecto es un alqueno terminal de fórmula $\mathrm{C_4H_8}$:

$\mathrm{CH_2{=}C(CH_3)-CH_3}$

$\textbf{Primera reacción}$: el doble enlace se abre y cada uno de sus carbonos recibe uno de los fragmentos del bromuro de hidrógeno.

$\mathrm{CH_2{=}C(CH_3)-CH_3} + \mathrm{HBr} \rightarrow \mathrm{(CH_3)_3C-Br}$

El producto $\textbf{B}$ es el $\textbf{2-bromo-2-metilpropano}$. Se obtiene este y no el isómero primario por la regla de Markovnikov: el hidrógeno se une al carbono del doble enlace que ya tiene más hidrógenos, de modo que el bromo acaba en el más sustituido, que es justo el que da el grupo terc-butilo.

Tipo de reacción: $\textbf{adición}$ (electrófila).

$\textbf{Segunda reacción}$: el ion cianuro, un nucleófilo, sustituye al bromo.

$\mathrm{(CH_3)_3C-Br} + \mathrm{KCN} \rightarrow \mathrm{(CH_3)_3C-CN} + \mathrm{KBr}$

El producto $\textbf{C}$ es el $\textbf{2,2-dimetilpropanonitrilo}$, y su fórmula molecular confirma la deducción: cuatro carbonos del esqueleto más el del grupo ciano son cinco, con nueve hidrógenos y un nitrógeno, es decir, $\mathrm{C_5H_9N}$, exactamente lo que dice el enunciado.

Tipo de reacción: $\textbf{sustitución nucleófila}$.

$\textbf{b) Dibuje las estructuras y escriba el nombre de todos los posibles isómeros estructurales y geométricos de los hidrocarburos de fórmula C₄H₈. (1 punto)}$

El recuento de insaturaciones acota las posibilidades:

$\text{grados de insaturación} = \frac{2\cdot 4 + 2 - 8}{2} = 1$

Hay exactamente una insaturación, que puede ser un doble enlace —y entonces se trata de un alqueno— o un ciclo, y entonces es un cicloalcano. Salen $\textbf{cinco}$ isómeros estructurales:

$\mathrm{CH_2{=}CH-CH_2-CH_3}$ — $\textbf{but-1-eno}$.

$\mathrm{CH_3-CH{=}CH-CH_3}$ — $\textbf{but-2-eno}$, isómero de posición del anterior.

$\mathrm{CH_2{=}C(CH_3)-CH_3}$ — $\textbf{2-metilpropeno}$, isómero de cadena. Es el compuesto A del apartado anterior.

Un anillo de cuatro carbonos — $\textbf{ciclobutano}$, isómero de función respecto de los alquenos.

Un anillo de tres carbonos con un metilo — $\textbf{metilciclopropano}$, también cicloalcano.

De los cinco, solo el $\textbf{but-2-eno}$ presenta además isomería geométrica, porque es el único cuyo doble enlace tiene dos sustituyentes distintos en cada uno de sus carbonos: los otros dos alquenos llevan un $\mathrm{CH_2{=}}$ con dos hidrógenos iguales.



En el $\textbf{(Z)-but-2-eno}$ o isómero cis los dos metilos quedan al mismo lado del doble enlace, y en el $\textbf{(E)-but-2-eno}$ o trans, en lados opuestos. Son compuestos distintos, con propiedades distintas: el cis es ligeramente polar, porque los momentos de los dos enlaces C–CH₃ se refuerzan, y el trans es apolar, porque se compensan.

En total, por tanto, $\textbf{seis}$ hidrocarburos distintos de fórmula $\mathrm{C_4H_8}$.