1. COMPUESTOS ORGÁNICOS OXIGENADOS
Introducción
Los compuestos oxigenados orgánicos son numerosos puesto que el átomo de oxígeno, dada su
estructura, permite una gran variedad de enlaces y posibilidades de combinación.
Según sean los grupos funcionales en los cuales está presente el oxígeno, los compuestos
oxigenados se clasifican en alcoholes (R-OH), fenoles (Ar-OH), aldehídos (R-CHO), cetonas
(R-CO-R'), ácidos carboxílicos (R-COOH), ésteres (R-COOR') y éteres (R-O-R').
Las propiedades de cada uno de estos grupos son totalmente diferentes y en este tema
pretendemos dar únicamente una introducción a algunos de ellos, destacando su nomenclatura,
características y reacciones más importantes.
1.- ALCOHOLES
Se denomina alcohol a toda sustancia que posea un grupo oxidrilo (OH) unido directamente a
un átomo de carbono. Pueden clasificarse en:
• Alcoholes primarios: Se caracterizan porque el carbono unido al grupo -OH está en un extremo
de la cadena:
3 2 1
CH3 – CH2 – CH2 – OH 1- propanol
Se nombran igual que el hidrocarburo del que provienen pero con la terminación ol.
Si el alcohol no es la función principal, se nombran con el prefijo hidroxi con la numeración
correspondiente, por ejemplo:
O
3 2 1
CH2 – CH2 – C ácido 3- hidroxipropanoico
OH OH
• Alcoholes secundarios: La función alcohol está en un carbono secundario:
3 2 1
CH3 – CH – CH3 2- propanol
OH
y, de la misma manera que antes, si la función alcohol no es la principal:
O
4 3 2 1
CH3 – CH – CH – C ácido 2- hidroxi -3- metilbutanoico
CH3 OH OH
2. (recuerda que hay que nombrar los sustituyentes por orden alfabético)
• Alcoholes ternarios: La función alcohol está en un carbono ternario.
1
CH3
2
CH3 – CH – OH 2- metil- 2- propanol o terbutanol
3
CH3
• Alcoholes aromáticos: Los compuestos que llevan el grupo -OH sobre anillos bencénicos
monocíclicos y bicíclicos se llaman respectivamente fenoles y naftoles. Por ejemplo:
OH OH
Fenol 2- naftol
(hidroxibenceno)
Propiedades físicas
• Los alcoholes de menos átomos de carbonos son solubles en agua debido a la polaridad del
grupo oxidrilo:
- δ + δ
R – O – H
al ir aumentando el peso molecular, la solubilidad va disminuyendo, dado que el resto de la cadena
no es polar (por la escasa diferencia de electronegatividad que hay entre el C y el H y la simetría de
los enlaces).
• El punto de ebullición va aumentando a medida que aumenta el número de átomos de carbono
de la cadena. Los alcoholes de menos átomos de carbono (metanol, etanol), tienen puntos de
ebullición anormalmente altos en relación a otros compuestos orgánicos de peso molecular
parecido, debido a los enlaces de hidrógeno:
+ δ - δ + δ - δ + δ - δ
H – O …… H – O …… H – O
R R R
enlaces de hidrógeno
Obtención
• Hidrólisis de halogenuros de alquilo. Es una reacción de doble sustitución o intercambio.
3. R – X + K – OH R – OH + K – X
siendo X = halógeno
Ejemplo:
CH3 – CH2 – Cl + KOH CH3 – CH2OH + KCl
• Hidratación de alquenos. Es una reacción de adición en la que se rompe el doble enlace y
sus carbonos se unen a un H y un OH siguiendo la regla de Marcovnikov: el H se une al
carbono que mayor número de H tiene:
CH3 – CH = CH2 + H – OH CH3 – CHOH – CH3
propeno 2- propanol
• Fermentación de líquidos azucarados: Por ejemplo, el etanol o alcohol etílico (que es el
"alcohol" del lenguaje vulgar), constituyente embriagante de las bebidas alcohólicas, se
obtiene por la fermentación de azúcares por la acción de levaduras:
levadura
C6H12O6 2 CH3 – CH2OH + 2 CO2
glucosa etanol
Reacciones químicas
En los alcoholes podemos distinguir dos tipos de enlaces:
- δ + δ
R – O – H el enlace R-O y el enlace O-H
Según cuál de los dos se rompa dará lugar a tipos diferentes de reacciones:
a.- Rotura del enlace O-H: Es el caso menos frecuente. Se produce en presencia de un metal
alcalino obteniéndose un compuesto iónico denominado alcóxido. Por ejemplo:
2 CH3 – OH + 2 Na 2 CH3 – ONa + H2
el CH3ONa se llama metóxido sódico.
b.- Rotura del enlace R-O: Hay varios tipos de ellas.
• Sustitución: un átomo o grupo de átomos de la cadena es sustituido por otro
CH3 – CH2 – OH + HBr CH3 – CH2 – Br + H2O
es una reacción muy empleada para la obtención de derivados halogenados.
• Deshidratación. Es una reacción de eliminación en la que se pierde agua, entre dos
átomos contiguos de la cadena, originándose un doble enlace:
H OH
4. agente
R – C – C – R´
R – C = C – R´
+ H2O
deshidratante
H H H H
los agentes deshidratantes más utilizados son el ácido sulfúrico (H2 SO4),
el bisulfato sódico (NaHSO4) y el ácido fosfórico (H3PO4). Por ejemplo:
H2SO4
CH3 – CH2 – CH2OH CH3 – CH = CH2 + H2O
n-propanol propeno
c.- Reacciones de oxidación con agentes inorgánicos como el ión permanganato o el ión
dicromato:
MnO4
-
, Cr2O7
2-
- Con alcoholes primarios se obtiene el ácido correspondiente (pasando por el aldehído
como producto intermedio):
O O
MnO4
-
MnO4
-
R – CH2OH R – C R – C
H OH
alcohol 1º aldehído ácido
I.O. (C) = -1 I.O. (C) = +1 I.O. (C) = +3
- Si el alcohol es secundario se obtiene la cetona correspondiente:
OH O
MnO4
-
R – C – R´
R – C – R´
H
alcohol 2º cetona
- Si el alcohol es ternario no se produce la reacción en condiciones normales:
OH
MnO4
-
R – C – R´
no reacciona
R´´
alcohol 3º
2.- ÁCIDOS CARBOXÍLICOS
Estructura
Se caracterizan por tener un grupo llamado carboxilo (-COOH). Su estructura es:
5. Nomenclatura
Los ácidos de más bajo peso molecular poseen nombres característicos muy arraigados que se
utilizan con mucha frecuencia:
Fórmula Nombre
HCOOH Ac. metanoico (fórmico)
CH3- COOH Ac. etanoico (acético)
CH3- CH2- COOH Ac. propanoico (propiónico)
CH3- CH2- CH2- COOH Ac. butanoico (butírico)
La IUPAC recomienda nombrarlos con la palabra ácido delante y la terminación oico.
La cadena principal no tiene porque ser la más larga sino aquella que contiene al grupo carboxilo, y
el carbono de este grupo es el numerado como "1" a la hora de nombrar los posibles sustituyentes.
Por ejemplo:
Los grupos carboxilo, es evidente que sólo pueden situarse en carbonos terminales, por lo que si en
una misma molécula hay dos grupos ácido, no es necesario especificar dónde se encuentran:
También los grupos carboxílicos pueden unirse a grupos aromáticos. Uno de
los más importantes es el llamado ácido benzoico (C6H5COOH):
6. Propiedades físicas
- Los ácidos de pocos átomos de carbono son solubles en agua, debido a la polaridad del enlace C –
O , y poseen un olor desagradable.
-
O
– C
+ O – H
- +
- Los de más bajo peso molecular tienen puntos de ebullición elevados comparados con los que
poseen otras sustancias de peso molecular parecido debido a los enlaces de hidrógeno, que hasta
incluso hacen que las moléculas de ácido se puedan dimerizar:
- Son, por lo general, ácidos débiles, debido a la facilidad que tienen para desprender protones:
y el anión presenta una estructura resonante en la que los dos enlaces C-O son iguales:
Dicha acidez disminuye a medida que aumenta su peso molecular. Observa los pKa que se dan en la
siguiente tabla:
Fórmula Nombre pKa
HCOOH Ac. fórmico 3'75
CH3- COOH Ac. acético 4'75
CH3- CH2- COOH Ac. propanoico 4'87
CH3- CH2- CH2- COOH Ac. butanoico 4'81
Obtención
Por oxidación de alcoholes primarios y/o aldehídos. Los agentes oxidantes químicos convierten a
los alcoholes primarios en aldehídos y éstos últimos se oxidan fácilmente a ácidos:
7. Reacciones químicas
• Reacciones de neutralización:
b.- Reacciones de formación de ésteres: Es una reacción de condensación (adición +
eliminación). Se pueden catalogar también como reacciones de neutralización actuando el
alcohol como una base:
• Reacciones de reducción: El tratamiento de un ácido con ciertos agentes reductores (como los
hidruros metálicos complejos), conduce al alcohol primario correspondiente:
I.O. (C) = +3 I.O. (C) = +1 I.O. (C) = -1
• Reacciones de deshidratación: Es una reacción de condensación (adición + eliminación) Dos
moléculas de ácido se unen perdiendo agua cuando se les somete a fuerte calefacción dando
lugar a lo que se denomina un anhídrido:
8. • Formación de cloruros de ácido:
Algunos ácidos carboxílicos importantes
Ácido fórmico (HCOOH): Se encuentra en las hormigas y en las ortigas. El dolor de las picaduras
de abejas, avispas, medusas, pólipos etc. es debido a dicho ácido.
Ácido acético (CH3-COOH): Es muy importante industrialmente ya que se emplea para obtener
acetato de celulosa, que se utiliza para la producción de películas fotográficas y cinematográficas
ininflamables, vidrio inastillable, lacas y barnices. También es el responsable de la acidez del
vinagre.
3.- ÉSTERES
Estructura
Los ésteres tienen la siguiente estructura:
9. Obtención y nomenclatura
Resultan de la unión de un ácido con un alcohol. Se trata de una reacción de condensación (adición
+ eliminación) que se llama esterificación:
Se nombran citando primero la raíz del ácido cambiando su terminación por el sufijo ato y a
continuación el nombre del radical correspondiente al alcohol. Por ejemplo:
Los ésteres son compuestos muy difundidos en la naturaleza. Los que provienen de ácidos con
pocos átomos de carbono forman parte de las esencias de flores y frutas, y son los responsables de
su aroma.
Así, el acetato de isoamilo se encuentra en el plátano, el butirato de amilo en el albaricoque, el
acetato de etilo en la piña tropical etc.
Los ésteres de los ácidos alifáticos lineales de cadena larga constituyen los aceites, grasas y ceras
que tanto abundan en los reinos animal y vegetal.
10. Reacciones químicas
La única reacción importante de los ésteres es su hidrólisis en medio básico, que lleva consigo la
ruptura de enlaces.
• Con agua para dar el ácido y el alcohol correspondiente:
éster + agua ácido + alcohol
como se puede observar, es la reacción inversa a la formación de ésteres, ya que son
reacciones de equilibrio.
• Con álcalis para dar la sal y el alcohol correspondiente:
Un ejemplo particular de este tipo de reacciones es la llamada saponificación de grasas. Dicho
proceso consiste en la reacción de hidrólisis de grasas (que son poliésteres) con álcalis fuertes, para
la producción de ácidos grasos y jabón (sal sódica). Por ejemplo:
Obtención del metanol y etanol
Metanol:
Originariamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas de madera. Esta
materia prima condujo a su nombre de alcohol de madera. Este proceso consiste en destilar la
madera en ausencia de aire a unos 400 °C formándose gases combustibles (CO, C2H4, H2),
empleados en el calentamiento de las retortas; un destilado acuoso que se conoce como ácido
piroleñoso y que contiene un 7-9% de ácido acético, 2-3% de metanol y un 0.5% de acetona; un
alquitrán de madera, base para la preparación de antisépticos y desinfectantes; y carbón vegetal
que queda como residuo en las retortas.
Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un proceso
catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción emplea altas temperaturas y
presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados.
CO + CO2 + H2 --->CH3OH
11. La reacción se produce a una temperatura de 300-400 °C y a una presión de 200-300 atm. Los
catalizadores usados son ZnO o Cr2O3.
El gas de síntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas. Los distintos procesos
productivos se diferencian entre sí precisamente por este hecho. Actualmente el proceso más
ampliamente usado para la obtención del gas de síntesis es a partir de la combustión parcial del
gas natural en presencia de vapor de agua.
Gas Natural + Vapor de Agua --> CO + CO2 + H2
Sin embargo el gas de síntesis también se puede obtener a partir de la combustión parcial de
mezclas de hidrocarburos líquidos o carbón, en presencia de agua.
Mezcla de Hidrocarburos Líquidos + Agua --> CO + CO2 + H2
Carbón + Agua ---> CO + CO2 + H2
Proceso Lurgi
Se denomina proceso de baja presión para obtener metanol a partir de hidrocarburos gaseosos,
líquidos o carbón.
12. El proceso consta de tres etapas bien diferenciadas:
Reforming
Es en esta etapa donde se produce la diferencia en el proceso en función del tipo de
alimentación.
En el caso de que la alimentación sea de gas natural, este se desulfuriza antes de alimentar
el reactor.
Aproximadamente la mitad de la alimentación entra al primer reactor, el cual está
alimentado con vapor de agua a media presión. Dentro del reactor se produce la oxidación
parcial del gas natural. De esta manera se obtiene H2, CO, CO2 y un 20% de CH4 residual.
Gas Natural + Vapor de Agua CO + CO2 + H2
Esta reacción se produce a 780 °C y a 40 atm.
El gas de síntesis más el metano residual que sale del primer reactor se mezcla con la otra
mitad de la alimentación (previamente desulfurizada). Esta mezcla de gases entra en el
segundo reactor, el cual está alimentado por O2. Este se proviene de una planta de
obtención de oxígeno a partir de aire.
CH4 + CO + CO2 + O2 CO + CO2 + H2
Esta reacción se produce a 950 °C.
En caso de que la alimentación sea líquida o carbón, ésta es parcialmente oxidada por O2 y
vapor de agua a 1400-1500 °C y 55-60 atm. El gas así formado consiste en H2, CO con
algunas impurezas formadas por pequeñas cantidades de CO2, CH4, H2S y carbón libre. Esta
mezcla pasa luego a otro reactor donde se acondiciona el gas de síntesis eliminándose el
carbón libre, el H2S y parte del CO2, quedando el gas listo para alimentar el reactor de
metanol.
Síntesis
13. El gas de síntesis se comprime a 70-100 atm. y se precalienta. Luego alimenta al reactor de
síntesis de metanol junto con el gas de recirculación. El reactor Lurgi es un reactor tubular,
cuyos tubos están llenos de catalizador y enfriados exteriormente por agua en ebullición. La
temperatura de reacción se mantiene así entre 240-270 °C.
CO + H2 CH3OH ΔH < 0
CO2 + H2 CH3OH ΔH < 0
Una buena cantidad de calor de reacción se transmite al agua en ebullición obteniéndose
de 1 a 1.4 Kg de vapor por Kg de metanol. Además se protege a los catalizadores.
Destilación
El metanol en estado gaseoso que abandona el reactor debe ser purificado. Para ello
primeramente pasa por un intercambiador de calor que reduce su temperatura,
condensándose el metanol. Este se separa luego por medio de separador, del cual salen
gases que se condicionan (temperatura y presión decuadas) y se recirculan. El metanol en
estado líquido que sale del separador alimenta una columna de destilación alimentada con
vapor de agua a baja presión. De la torre de destilación sale el metanol en condiciones
normalizadas.
PROCESO ICI
La diferencia entre los distintos procesos se basa en el reactor de metanol, ya que los
procesos de obtención de gas de síntesis y purificación de metanol son similares para todos
los procesos.
En este caso la síntesis catalítica se produce en un reactor de lecho fluidizado, en el cual al
gas de síntesis ingresa por la base y el metanol sale por el tope. El catalizador se mantiene
así fluidizado dentro del reactor, el cual es enfriado por agua en estado de ebullición,
obteniéndose vapor que se utiliza en otros sectores del proceso.
La destilación se realiza en dos etapas en lugar de realizarse en una sola.
Todas las demás características son similares al proceso Lurgi antes descripto.
Etanol:
Hablar de Alcohol Etílico industrialmente es hablar de una fuente de combustible calorífica renovable y
biodegradable junto a una fuente de ingresos culinarios tales como la elaboración de vinagres, vinos y
licores. Económicamente sustentable e independiente para Nicaragua debido a que la materia prima es
100% autosustentable y económicamente viable.
El Alcohol Etílico posee la formula C2H5OH y se conoce como Etanol.
El etanol es un liquido incoloro, de olor agradable, soluble de agua en todas proporciones. Este alcohol no
puede concentrarse mas del 96%en volumen por simple destilación fraccionada, ya que forma con el agua
una mezcla de punto de ebullición constante.
El etanol se obtiene en grandes cantidades, por fermentación de líquidos azucarados. Su obtención se basa
en que la glucosa (C6H12O8) fermenta por la acción de una enzima producida por un grupo de hongos
microoscopicos-sacaromicetos (levaduras de cervezas) produciendo alcohol y dióxido de carbono.
Para la obtención industrial del alcohol seria demasiado caro la glucosa pura como materia prima. Por lo
14. tanto, se parte de las mezclas de azúcar de caña o de remolacha o de otros materiales ricos en almidón.
Industrialmente, el etanol se prepara por diversos métodos. Partiendo del etileno (del craqueo del
petróleo) por vapor a presión, en presencia de un catalizador.
Otros métodos parte del acetileno, por hidratación en presencia de sales mercúricas, dando aldehído que
posteriormente se reduce por el hidrogeno, en presencia del níquel finamente dividido que actúa como
catalizador.
El alcohol absoluto (que en realidad es del 99.5%) se obtiene a partir del alcohol rectificado añadiendo una
pequeña cantidad de benceno y destilando a continuación.
El etanol es higroscópico, disuelve fácilmente las resinas, esencias y muchas sustancias orgánicas,
fácilmente con llama incolora.
En cuanto a sus aplicaciones, el etanol se emplea en la preparación de bebidas alcohólicas, en la obtención
de muchas sustancias orgánicas (cloroformo, éter etc.), como disolvente, como combustible etc.
Con el fin de que no sirva para bebida, el alcohol que se destina a aplicaciones industriales se
"desnaturaliza" es decir, se le añaden sustancias como metanol, petróleo, colorantes, etc.
Micaela Dalul, Brisa Centurion. 4to 1ra Naturales, Juana Manso.
