Ejercicio resuelto de Orgánica · Química · Galicia · 2023

PREGUNTA 3.

3.1. Escriba las fórmulas semidesarrolladas de los siguientes compuestos, nombre su grupo funcional, y justifique si alguno de ellos presenta isomería óptica: ácido 3-pentenoico, 2-hidroxipropanal, etanoato de metilo y propino.
3.2. Dadas dos disoluciones, una de ácido nítrico y otra de $\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$ ($K_a(\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2)=\mathrm{7,2}\cdot {10}^{-4}$), razone cuál de ellas tendrá un pH menor si ambas tienen la misma concentración inicial.

$\mathbf{\text{3.1.}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{f}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{rmulas}}\mathbf{\text{semidesarrolladas}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{compuestos,}}\mathbf{\text{nombre}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{grupo}}\mathbf{\text{funcional,}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{justifique}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{alguno}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ellos}}\mathbf{\text{presenta}}\mathbf{\text{isomer}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{ptica:}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{3-pentenoico,}}\mathbf{\text{2-hidroxipropanal,}}\mathbf{\text{etanoato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{metilo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{propino.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

$\acute{\mathbf{\text{A}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{3-pentenoico}}$:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{C}\mathrm{H}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$

Grupo funcional $-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$, grupo $\mathbf{\text{carboxilo}}$: es un ácido carboxílico. Lleva además un doble enlace entre los carbonos 3 y 4.

$\mathbf{\text{2-hidroxipropanal}}$:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$

Grupo funcional principal $-\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$, grupo $\mathbf{\text{formilo}}$ o carbonilo terminal: es un aldehído. Como sustituyente lleva un grupo $\mathbf{\text{hidroxilo}}$ en el carbono 2.

$\mathbf{\text{Etanoato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{metilo}}$:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$

Grupo funcional $-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}-$, grupo $\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{ster}}$. Procede formalmente del ácido etanoico y del metanol.

$\mathbf{\text{Propino}}$:

$\mathrm{C}\mathrm{H}\equiv \mathrm{C}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$

Grupo funcional $\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$, el $\mathbf{\text{triple}}\mathbf{\text{enlace}}$ carbono-carbono: es un alquino.

$\mathbf{\text{Isomer}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{ptica.}}$ Para que la haya tiene que existir un carbono asimétrico, unido a cuatro grupos distintos. Se examinan uno a uno:

En el $\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{3-pentenoico}}$ no hay ninguno: los carbonos del doble enlace no llegan a cuatro sustituyentes, el C-2 lleva dos hidrógenos y el C-5 lleva tres.

En el $\mathbf{\text{2-hidroxipropanal}}$ sí lo hay. El C-2 está unido a:

$\mathrm{C}\text{-}2:-\mathrm{H},-\mathrm{O}\mathrm{H},-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3,-\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$

Los cuatro son distintos, luego es un centro quiral y el compuesto existe como dos enantiómeros.

En el $\mathbf{\text{etanoato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{metilo}}$ no lo hay: los dos grupos metilo llevan tres hidrógenos cada uno y el carbono del éster no tiene cuatro sustituyentes distintos, sino un doble enlace al oxígeno.

En el $\mathbf{\text{propino}}$ tampoco: los carbonos del triple enlace están unidos a un solo sustituyente además del enlace múltiple, y el metilo lleva tres hidrógenos.

Solo el $\mathbf{\text{2-hidroxipropanal}}$ presenta isomería óptica.



Tendrá menor pH la de $\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{n}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{trico}}$.

La diferencia está en la fuerza de los dos ácidos. El $\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ es un ácido $\mathbf{\text{fuerte}}$: se disocia por completo, de modo que la reacción es irreversible y todo el ácido cede su protón.

$\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}+{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$

$[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=c$

El $\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$ es un ácido $\mathbf{\text{d}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{bil}}$, como indica el valor finito y pequeño de su constante. Se establece un equilibrio y solo una fracción del ácido se disocia:

$\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{N}{\mathrm{O}}_2^{-}+{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$

$[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=\sqrt{K_{a}c}<c$

Partiendo de la misma concentración inicial, el ácido fuerte libera más protones que el débil, y a mayor concentración de protones corresponde menor pH:

$\mathrm{p}\mathrm{H}(\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3)<\mathrm{p}\mathrm{H}(\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2)$

Puede verse con un ejemplo numérico. Para una concentración inicial de 0,1 M:

$\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3:[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=\mathrm{0,1}\Rightarrow \mathrm{p}\mathrm{H}=\mathrm{1,0}$

$\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2:[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=\sqrt{\mathrm{7,2}\cdot {10}^{-4}\cdot \mathrm{0,1}}=\mathrm{8,5}\cdot {10}^{-3}\Rightarrow \mathrm{p}\mathrm{H}=\mathrm{2,1}$

Más de una unidad de pH de diferencia, es decir, más de diez veces más protones en la disolución del ácido fuerte.