Reacciones en la química del carbono polímeros

ESPECIES QUÍMICAS QUE INTERVIENEN EN UNA REACCIÓN ORGÁNICA Química del carbono ESPECIES QUÍMICAS QUE INTERVIENEN EN UNA REACCIÓN ORGÁNICA SUSTRATO REACTIVO molécula reaccionante más grande y que en la reacción varía su grupo funcional o experimenta un cambio estructural especie que ataca a la molécula del sustrato, originando la formación de nuevos enlaces

Reactivos nucleófilos Reactivos electrófilos TIPOS DE REACTIVOS Radicales libres Reactivos nucleófilos Reactivos electrófilos especies que poseen un electrón sin aparear. Son muy reactivos grupos de átomos que poseen zonas de alta densidad electrónica especies que poseen zonas con deficiencia de electrones

Reacciones de sustitución. Un átomo o grupo de átomos de la molécula del sustrato es sustituido por otro átomo o grupo atómico, suministrado por el reactivo R  X + Y R  Y + X sustrato grupo saliente producto reactivo Por radicales libres: el reactivo atacante es un radical libre producido en una ruptura homolítica CH3CH3 + Cl2 CH3CH2Cl + HCl Nucleófila (SN): el reactivo es una especie nucleófila que ataca a las zonas del sustrato con deficiencia electrónica (ruptura heterolítica) CH3CH2 Cl + OH CH3CH2 OH + Cl Electrófila (SE): el reactivo atacante es una especie nucleófila que ataca a las zonas del sustrato con deficiencia electrónica H + R  X R + HX AlCl3

Reacciones de adición (I). La molécula del sustrato gana dos átomos o grupos de átomos, procedentes del reactivo  C C  + Y  Z CC Y Z Nucleófila (SN): el reactivo atacante es una especie nucleófila que busca puntos con baja densidad electrónica ll CH3 C O H + H CN CH3  C  CN OH

Reacciones de adición (II). Electrófila (SE): el reactivo es una especie electrófila que ataca los puntos con alta densidad electrónica Adición de halogenuros de hidrógeno (regla de MARKONIKOV): CH3CH CH2 + H Cl CH3CHCH2 H CH3CHCH3 + Cl CH3CHCH3 Cl Adición de halógenos: CH3CH  CHCH3 + Br2 CH3  CH CH  CH3 Br Adición de hidrógeno en presencia de catalizadores: CH3CH CH2 + H2 CH3CHCH2 H

Reacciones de eliminación. La molécula del sustrato pierde dos átomos o grupos de átomos, formando un enlace (o cerrando un ciclo) + A  B CC  C C  A B H2CCH2 + H2O CH2 CH2 H OH H2SO4 deshidratación de un alcohol CH3CH CH2 + KCl + H2O CH3 CH2 CH2 + KOH H Cl deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo CH3 C CH Br H CH3 C  CH + 2KBr + 2H2O + 2KOH doble eliminación

formación de una amida a partir de un ácido carboxílico y una amina Reacciones de condensación. Dos moléculas orgánicas se unen desprendiéndose una molécula pequeña, generalmente agua formación de una amida a partir de un ácido carboxílico y una amina + CH3 CH2 N H H ll CH3 C O OH N  CH2 CH3 + H2O esterificación o reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol para formar un éster + CH3 O  H ll CH3 C O OH + H2O O  CH3

Reacciones de oxidación-reducción. COMBUSTIÓN: son procesos de oxidación violentos en atmósfera de oxígeno o en el aire que se producen con gran desprendimiento de luz y calor CH3CH2CH2CH3 + 13/2 O2 4CO2 + 5H2O + energía REACCIONES REDOX SIN RUPTURA DE LA CADENA: son oxidaciones (y reducciones) más suaves, sin que se rompa la cadena carbonada La oxidación se realiza con K2Cr2O7 o con KMnO4 La reducción se suele realizar con LiAlH4 RCH2OH oxidación RCHO RCOOH reducción

Reacciones químicas principales Sustitución: un grupo entra y otro sale. CH3–Cl + H2O  CH3–OH + HCl Adición: a un doble o triple enlace CH2=CH2 + Cl2  CH2Cl–CH2Cl Eliminación: de un grupo de átomos. Se produce un doble enlace CH3–CH2OH  CH2=CH2 + H2O Redox: (cambia el E.O. del carbono). CH3OH + ½ O2  HCHO + H2O MUY IMPORTANTE

Habitualmente, se sigue utilizando el concepto de oxidación como aumento en la proporción de oxígeno y reducción como disminución es la proporción de oxígeno.

Ejemplos de reacciones de adición. Electrófila: CH3–CH=CH2 + H2  CH3–CH2–CH3 CH3–CH=CH2 + Cl2  CH3–CHCl–CH2Cl CH3–CH=CH2 + HBr  CH3–CHBr–CH3 (mayor proporción) CH3–CH=CH2 + H2O (H+)  CH3–CHOH–CH3 (mayor proporción) Nucleófila: CN | CH3–CO–CH3 + HCN  CH3 –C–CH3 | OH

Ejemplos de Sustitución nucleófila. Sustitución de derivados clorados: (CH3)3C–Cl + NaOH  (CH3)3C–OH + NaCl Nota: Esta reacción compite con la de eliminación, si bien en este caso, por formarse un carbocatión estable (terciario) se favorece la sustitución. CH3–CH2–CH2–Cl + 2 NH3  CH3–CH2–CH2–NH2 + NH4Cl Sustitución de alcoholes: CH3–CH2–OH + HBr  CH3 CH2–Br + H2O

Reacciones de sustitución electrófila. Nitración (–M): + HNO3  + H2O NO2 H2SO4 Halogenación (+M): + Cl2  + HCl Cl FeCl3 Alquilación (Friedelf–Crafts) (+I): + ClCH3  + HCl CH3 AlCl3

Ejemplos de reacciones de eliminación Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo. Se produce en medio básico. CH3–CH2–CHBr–CH3 + NaOH CH3–CH=CH–CH3 Deshidratación de alcoholes. Se produce en medio ácido. CH3–CH2–CHOH–CH3 + H2SO4  CH3–CH=CH–CH3 mayoritario

Reacciones más importantes por grupos funcionales

Alcanos y halogenuros de alquilo COMBUSTIÓN: (la dan todos los compuestos) son procesos de oxidación violentos en atmósfera de oxígeno o en el aire que se producen con gran desprendimiento de luz y calor Sustitución: Por radicales libres: el reactivo atacante es un radical libre producido en una ruptura homolítica halogenuros de alquilo: deshidrohalogenación con KOH (r. de eliminación) CH3CH2CH2CH3 + 13/2 O2 4CO2 + 5H2O + energía CH3CH3 + Cl2 CH3CH2Cl + HCl CH3CH CH2 + KCl + H2O CH3 CH CH2 + KOH H Cl

Alquenos (olefinas) y alquinos adición de: HCl Br2,Pierde el color marrón-rojizo H2 (Pt,Ni como catalizador) H2O (ácidos como catalizadores, H3PO4) Regla si es asimétrica el H se adiciona al carbono que tiene más hidrógenos CH3CH CH2 oxidación CH3–CH=CH–CH3 CH3 –CHOH–CHOH–CH3 KMnO4

Benceno y sus derivados Reacciones de sustitución. La más importante alquilación. Un hidrógeno es sustituido por un resto orgánico (R-) H + R  X R + HX AlCl3

Alcoholes Oxidación con dicromato de potasio o permanganato de potasio Eliminación de agua: deshidratación usando ácidos sulfúrico o fosfórico u óxido de aluminio como catalizadores H2CCH2 + H2O CH2 CH2 H OH H2SO4 Oxidación con dicromato de potasio o permanganato de potasio Alcoholes primarios oxidación a aldehídos y posteriormente a ácidos Alcoholes secundarios oxidación a cetonas RCH2OH oxidación RCHO RCOOH Esterificación: ácido + alcohol  ester + agua + CH3 O  H ll CH3 C O OH + H2O O  CH3

Aldehídos, cetonas y ácidos Reducción con LiAlH4 a alcoholes Adición (poco importante) Esterificación (ácido + alcohol éster + agua Formación de amida: ácido + amina amida + agua ll CH3 C O H + H CN CH3  C  CN OH + CH3 CH2 N H H ll CH3 C O OH N  CH2 CH3 + H2O

Monómero: tetrafluoretileno Polímeros y macromoléculas 1 Macromoléculas y polímeros. Las macromoléculas orgánicas se forman por unión sucesiva de muchas unidades pequeñas, todas del mismo tipo, denominadas MONÓMEROS MONÓMERO polimerización POLÍMERO  C C  F n Polímero: teflón C  C F Monómero: tetrafluoretileno polimerización Recubrimientos de teflón

Polímero: polietileno Reacciones de polimerización (I). Por adición: la unión sucesiva de las moléculas del monómero da un único producto Formación de polietileno a partir de etileno:  C C  H n Polímero: polietileno C  C H Monómero: etileno Polimerización Catalizador

Reacciones de polimerización (II). Por condensación: los monómeros se unen produciendo dos tipos de compuestos (polímero + agua) Formación de almidón a partir de glucosa: + n glucosas Glucosa (C6H12O6) Glucosa Maltosa (dímero) n Almidón (polímero)

Policloruro de vinilo (PVC) Polímeros de adición Monómero Polímero Usos típicos CH2CH2 Eteno [CH2CH2 ] n Polietileno Contenedores, tuberías, bolsas, juguetes, cables aislantes. [CH2CH ] n CH3 Polipropileno Fibras para alfombras, redes de pesca, cuerdas, cesped artificial. CH2CH CH3 Propeno [CH2CH ] n Cl Policloruro de vinilo (PVC) Cañerías, mangueras, discos, cuero artificial, envoltorios para alimentos, baldosas. CH2CHCl Cloroeteno [CH2CH ] n CN Poliacrilonitrilo Fibras para ropa, alfombras, tapices. CH2CHCN Acrilonitrilo CH2CH  Estireno [CH2CH ] n Poliestireno Espuma de poliestireno, vasos para bebidas calientes, embalajes, aislamientos. CF2CF2 Tetrafluoreteno [CH2CH2 ] n Teflón Recubrimientos antiadherentes para utensilios de cocina.

Polímeros de condensación (II). Monómero 1: ácido adípico Monómero 2: hexametilendiamina NAILON El grupo –COOH del ácido adípico reacciona con el grupo –NH2 de la hexametilendiamina, desprendiéndose una molécula de agua: Por adición sucesiva de ambos monómeros, se forma finalmente, el polímero:

Polímeros de condensación (III). POLIÉSTERES Polimerización de ácidos carboxílicos y alcoholes: Un tipo importante de poliésteres son los POLICARBONATOS, empleados en la fabricación de lentes ópticas