Parcial 1 · Tema 1
Química II — UNSJ
1. Estabilidad del benceno y sus derivados
Enunciado
¿Por qué se consideran que el benceno y sus derivados son muy estables? Nombre sus características.
Respuesta
El benceno (C₆H₆) y sus derivados son excepcionalmente estables debido a su aromaticidad: la deslocalización completa de los electrones π sobre todo el anillo genera una estabilización energética extraordinaria que no se observa en otros hidrocarburos insaturados.
Características que explican su estabilidad
1. Deslocalización de electrones π (resonancia)
Los 6 electrones π del benceno no están confinados entre dos carbonos, sino que forman una nube electrónica deslocalizada por encima y por debajo del plano del anillo. Esto se representa con las dos estructuras resonantes de Kekulé, aunque la realidad es un híbrido de resonancia.
2. Energía de resonancia
El benceno posee una energía de resonancia de ~150 kJ/mol (~36 kcal/mol). Esto significa que es 150 kJ/mol más estable de lo que sería un ciclohexatrieno hipotético con tres dobles enlaces localizados. Esta energía extra debe aportarse para romper la aromaticidad.
3. Regla de Hückel (4n + 2)
Un compuesto es aromático si posee 4n + 2 electrones π en un sistema cíclico, plano y completamente conjugado. Para el benceno: n = 1 → 4(1) + 2 = 6 electrones π ✓.
4. Enlaces C–C equivalentes
Todos los enlaces C–C del benceno tienen la misma longitud: 1,39 Å, un valor intermedio entre un enlace simple (1,54 Å) y uno doble (1,34 Å). No hay alternancia de enlaces simples y dobles.
5. Hibridación sp² y planaridad
Los 6 carbonos tienen hibridación sp², lo que genera una geometría plana con ángulos de 120°. Cada carbono aporta un orbital p sin hibridar que se solapa lateralmente con los vecinos, formando el sistema π continuo.
6. Reactividad: sustitución en lugar de adición
A diferencia de los alquenos, el benceno no sufre reacciones de adición fácilmente (que destruirían la aromaticidad). En su lugar, experimenta sustitución electrofílica aromática (SEA), donde un hidrógeno es reemplazado por un electrófilo, preservando el anillo aromático.
Los derivados del benceno (tolueno, fenol, anilina, etc.) conservan el anillo aromático y, por lo tanto, mantienen la estabilización por resonancia. Algunos sustituyentes pueden incluso aumentar la estabilidad al aportar electrones al anillo (grupos activantes como –OH, –NH₂) o participar en la deslocalización.
2. Hibridación: agua y metano
Enunciado
Determine qué hibridación tiene el agua y el metano. Haga la distribución de los electrones en las capas cuánticas antes y después de la hibridación. Mencione características de la hibridación y la diferencia que existe entre esas dos moléculas.
Respuesta clave
Ambas moléculas presentan hibridación sp³ en su átomo central, pero difieren en la cantidad de pares libres: el metano no tiene ninguno (geometría tetraédrica perfecta, 109,5°), mientras que el agua tiene dos (geometría angular, ~104,5°).
Metano (CH₄)
Configuración electrónica del Carbono (Z = 6)
HIBRIDACIÓN sp³ del Carbono
CH₄C
Estado fundamental
C
Excitado
C
Hibridado sp³
C
Estado fundamental
C
Excitado
C
Hibridado sp³
Resultado: Metano
4 orbitales sp³ enlazantes, 0 pares libres. Molécula simétrica y apolar.
Agua (H₂O)
Configuración electrónica del Oxígeno (Z = 8)
HIBRIDACIÓN sp³ del Oxígeno
H₂OO
Estado fundamental
O
Hibridado sp³
O
Estado fundamental
O
Hibridado sp³
Resultado: Agua
2 orbitales sp³ enlazantes (O–H) + 2 pares libres. La repulsión de los pares libres comprime el ángulo por debajo de 109,5°.
Comparación entre ambas moléculas
| Propiedad | Metano (CH₄) | Agua (H₂O) |
|---|---|---|
| Átomo central | C (Z = 6) | O (Z = 8) |
| Hibridación | sp³ | sp³ |
| Requiere promoción | Sí (2s → 2p) | No |
| Pares enlazantes | 4 | 2 |
| Pares libres | 0 | 2 |
| Geometría molecular | Tetraédrica | Angular (V) |
| Ángulo de enlace | 109,5° | ~104,5° |
| Polaridad | Apolar | Polar |
Según la teoría VSEPR, los pares libres ocupan más espacio que los pares enlazantes (están más cerca del núcleo y se expanden más). Por eso, los dos pares libres del oxígeno comprimen el ángulo H–O–H de 109,5° a aproximadamente 104,5°.
3. Carvona: nomenclatura IUPAC e isomería
Enunciado
El siguiente compuesto es la Carvona, aceite volátil de alcaravea, menta y comino. Tiene un aroma refrescante, mentolado y fresco.
a) Nómbrelo según la IUPAC b) Dé un isómero de cadena y nómbrelo c) Dé un isómero de posición y nómbrelo d) Dé un isómero óptico
Análisis de la estructura
Fórmula molecular: C₁₀H₁₄O — Grados de insaturación: 4
1. Anillo de ciclohexano (1 grado)
2. Doble enlace C=C en el anillo, entre C2 y C3 (1 grado)
3. Grupo carbonilo C=O en C1 → cetona cíclica (1 grado)
4. Doble enlace C=CH₂ en el sustituyente isopropenilo (1 grado)
Centro quiral en C5 (unido a 4 grupos diferentes: H, CH₂C=O, CH₂CH=, e isopropenilo)
a) Nombre IUPAC
Nombre IUPAC de la Carvona
Cadena principal: ciclohex-2-en-1-ona (ciclohexanona con doble enlace en posición 2). Sustituyentes: metilo en C2, grupo isopropenilo [prop-1-en-2-il] en C5.
Paso a paso de la nomenclatura:
1. Identificar el grupo funcional principal → cetona (sufijo -ona)
2. Cadena principal → ciclohexanona (anillo de 6 con C=O)
3. Numerar dando el número más bajo al C=O → C1
4. Localizar insaturaciones → doble enlace en C2 → ciclohex-2-en-1-ona
5. Nombrar sustituyentes → 2-metil, 5-(prop-1-en-2-il)
b) Isómero de cadena
Isómeros de cadena
Tienen la misma fórmula molecular pero difieren en la estructura del esqueleto carbonado (ramificaciones, tipo de cadena o tamaño del ciclo).
Mantenemos C₁₀H₁₄O pero cambiamos la ramificación: reemplazamos el metilo (C2) + isopropenilo (C5) por etilo (C2) + vinilo (C5).
Isómero de cadena propuesto
Misma fórmula C₁₀H₁₄O y mismos grados de insaturación (4), pero distinta distribución del esqueleto carbonado: el metilo + isopropenilo se redistribuyen como etilo + vinilo.
c) Isómero de posición
Isómeros de posición
Tienen la misma fórmula molecular y los mismos grupos funcionales, pero estos se encuentran en posiciones diferentes de la cadena o anillo.
Movemos el grupo metilo de la posición C2 a la posición C3, manteniendo todo lo demás igual.
Isómero de posición propuesto
Misma fórmula C₁₀H₁₄O, mismos sustituyentes (metilo e isopropenilo), pero el metilo cambió de C2 a C3.
d) Isómero óptico
Isómeros ópticos (enantiómeros)
Son moléculas que son imágenes especulares no superponibles entre sí. Requieren al menos un centro quiral (carbono asimétrico con 4 sustituyentes diferentes). Desvían el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas.
La carvona tiene un centro quiral en C5. Su enantiómero es la imagen especular:
La (R)-carvona huele a hierbabuena/menta, mientras que la (S)-carvona huele a alcaravea/eneldo. Mismo compuesto, distinta configuración espacial → aromas completamente diferentes. Esto demuestra que los receptores olfativos son quirales.
| Tipo de isómero | Ejemplo propuesto | ¿Qué cambia? |
|---|---|---|
| De cadena | 2-etil-5-vinilciclohex-2-en-1-ona | Esqueleto carbonado (ramificaciones) |
| De posición | 3-metil-5-(prop-1-en-2-il)ciclohex-2-en-1-ona | Ubicación del sustituyente (C2 → C3) |
| Óptico | (S)-Carvona | Configuración del centro quiral en C5 |
4. Antranilato de metilo: aroma frutal de uva
Enunciado
El siguiente compuesto es el aroma frutal de uva:
Estructura: anillo bencénico con un grupo éster —C(=O)—O—CH₃ y un grupo amino —NH₂ en posición orto (antranilato de metilo / metil 2-aminobenzoato).
a) Nombre según IUPAC b) Dé un isómero de posición y nómbrelo c) Dé un isómero de función y nómbrelo
Análisis de la estructura
Fórmula molecular: C₈H₉NO₂
- Anillo bencénico
- Grupo éster: —C(=O)—O—CH₃ en posición 1
- Grupo amino: —NH₂ en posición 2 (orto)
a) Nombre IUPAC
Nombre IUPAC
El grupo funcional principal es el éster (benzoato de metilo). El sustituyente amino está en posición 2 (orto). Nombre común: antranilato de metilo.
b) Isómero de posición
Isómeros de posición
Misma fórmula molecular y mismos grupos funcionales, pero ubicados en posiciones diferentes del anillo.
Movemos el grupo amino de la posición orto (2) a la posición meta (3) o para (4).
Isómero de posición propuesto
Misma fórmula C₈H₉NO₂, mismos grupos funcionales, pero el grupo —NH₂ pasa de la posición 2 (orto) a la posición 3 (meta).
c) Isómero de función
Isómeros de función
Tienen la misma fórmula molecular pero poseen grupos funcionales diferentes. Por ejemplo, un éster puede ser isómero de función de un ácido carboxílico con otra modificación.
Convertimos el éster en un ácido carboxílico y el amino en una metilamina (N-metilamina), manteniendo la fórmula molecular C₈H₉NO₂.
Isómero de función propuesto
Misma fórmula C₈H₉NO₂. El grupo éster (—COOCH₃) se reemplaza por un ácido carboxílico (—COOH), y la amina primaria (—NH₂) pasa a ser secundaria (—NHCH₃). Cambian los grupos funcionales.
5. Compuesto con ciano y metoxi
Enunciado
Del siguiente compuesto:
N≡C—CH₂—CH₂—C(C(CH₃)₃)=CH—CH₂—O—CH₃
Un grupo ciano (N≡C) unido por una cadena de carbonos a un doble enlace C=C, el cual tiene un grupo tert-butilo (C(CH₃)₃) y un grupo metoximetilo (—CH₂—O—CH₃).
a) Nombre el compuesto b) Dé un isómero óptico y nómbrelo c) Dé un isómero de función y nómbrelo
Análisis de la estructura
Fórmula molecular: C₁₁H₁₉NO — Grados de insaturación: 3
C1: grupo nitrilo (—C≡N) → 2 grados de insaturación
C2: —CH₂—
C3: —CH₂—
C4: —C(C(CH₃)₃)= unido al grupo tert-butilo
C5: =CH— (doble enlace C4=C5) → 1 grado de insaturación
C6: —CH₂—O—CH₃ (grupo metoximetilo)
a) Nombre del compuesto
Nombre IUPAC
Cadena principal: hex-4-enonitrilo (6 carbonos, doble enlace en C4, grupo nitrilo como función principal). Sustituyentes: grupo tert-butilo [1,1-dimetiletil] en C4 y metoxi en C6.
Paso a paso de la nomenclatura:
1. Grupo funcional principal → nitrilo (sufijo -nitrilo)
2. Cadena principal más larga que contenga el nitrilo y el doble enlace → 6 carbonos → hexano
3. Numerar desde el nitrilo (C1) para dar el localizador más bajo al grupo principal
4. Doble enlace en C4–C5 → hex-4-eno
5. Sustituyentes → 4-(1,1-dimetiletil) y 6-metoxi
6. Nombre completo → 4-(1,1-dimetiletil)-6-metoxihex-4-enonitrilo
b) Isómero óptico
Isomería geométrica (E/Z) en alquenos
Los alquenos con sustituyentes diferentes en cada carbono del doble enlace presentan isomería E/Z (un tipo de estereoisomería). Se asigna usando las reglas de Cahn-Ingold-Prelog: si los grupos de mayor prioridad están del mismo lado → (Z); si están en lados opuestos → (E).
El doble enlace C4=C5 tiene sustituyentes diferentes a cada lado:
Prioridades CIP en el doble enlace:
C4: —C(CH₃)₃ (C unido a C,C,C) > —CH₂CH₂CN (C unido a C,H,H)
C5: —CH₂OCH₃ (C unido a O,H,H) > —H
Isómero óptico propuesto
Misma fórmula molecular C₁₁H₁₉NO, misma conectividad. En el isómero (Z), el grupo tert-butilo (mayor prioridad en C4) y el grupo —CH₂OCH₃ (mayor prioridad en C5) quedan del mismo lado del doble enlace. En el (E), quedan en lados opuestos.
c) Isómero de función
Isómeros de función
Tienen la misma fórmula molecular pero poseen grupos funcionales diferentes. El nitrilo (R—C≡N) y el isocianuro (R—N≡C) son isómeros de función clásicos.
Convertimos el grupo nitrilo (—C≡N) en un grupo isocianuro (—N≡C), manteniendo la fórmula molecular C₁₁H₁₉NO.
Isómero de función propuesto
Misma fórmula C₁₁H₁₉NO. El grupo nitrilo (R—C≡N) se convierte en isocianuro (R—N≡C), cambiando el grupo funcional. La unión al carbono terminal se invierte: en el nitrilo el C está unido a la cadena, en el isocianuro el N está unido a la cadena.
6. Dibujar compuestos
Enunciado
Dibuje los siguientes compuestos: a) Etanoato de 2-metilpentilo b) trans-4-metil-7-nonen-1-ino c) p-metoxianilina d) (R)(Z) Ioduro de 5-ciano-5-ciclopropil-3-pentenoílo
a) Etanoato de 2-metilpentilo
Etanoato de 2-metilpentilo
Es un éster formado por el ácido etanoico (acético) y el alcohol 2-metilpentanol. Nombre IUPAC: etanoato de 2-metilpentilo (acetato de 2-metilpentilo).
Desglose:
Parte ácida: etanoato (CH₃—CO—O—) proviene del ácido etanoico (acético)
Parte alcohol: 2-metilpentilo → pentilo con un metilo en C2: —CH(CH₃)—CH₂—CH₂—CH₃
b) trans-4-metil-7-nonen-1-ino
trans-4-metil-7-nonen-1-ino
Cadena de 9 carbonos (non-) con un triple enlace en C1 (-1-ino), un doble enlace en C7 (-7-en) con configuración trans (E), y un grupo metilo en C4.
Desglose:
non-: cadena principal de 9 carbonos
1-ino: triple enlace C≡C en posición 1
7-en: doble enlace C=C en posición 7
4-metil: grupo —CH₃ en carbono 4
trans (E): los sustituyentes del doble enlace están en lados opuestos
c) p-metoxianilina
p-metoxianilina
Anillo bencénico con un grupo amino (—NH₂) y un grupo metoxi (—OCH₃) en posición para (1,4). Nombre IUPAC: 4-metoxianilina.
d) (R)(Z) Ioduro de 5-ciano-5-ciclopropil-3-pentenoílo
Ioduro de 5-ciano-5-ciclopropil-3-pentenoílo
Es un haluro de acilo (ioduro de acilo). Cadena de 5 carbonos con: grupo —C(=O)I (ioduro de acilo) en C1, doble enlace en C3 con configuración (Z), y en C5 un grupo ciano (—CN) y un ciclopropilo. Centro quiral en C5 con configuración (R).
Desglose:
Ioduro de ...oílo: haluro de acilo → —C(=O)—I en C1
3-penten: cadena de 5C con doble enlace en C3
(Z): configuración cis del doble enlace
5-ciano: grupo —C≡N en C5
5-ciclopropil: anillo de ciclopropano en C5
(R): configuración absoluta del centro quiral en C5
7. Arabinosa: nomenclatura y diasterómero
Enunciado
El siguiente azúcar es la arabinosa. Nómbrela según su nomenclatura relativa y IUPAC, además dibuje un diasterómero y nómbrelo. Preste atención a los centros quirales.
Proyección de Fischer:
CHO
|
HO———H
|
H————OH
|
H————OH
|
CH₂OH Análisis de la estructura
Fórmula molecular: C₅H₁₀O₅ — Aldopentosa
- C1: CHO (grupo aldehído)
- C2: HO a la izquierda, H a la derecha → configuración (S)
- C3: H a la izquierda, OH a la derecha → configuración (R)
- C4: H a la izquierda, OH a la derecha → configuración (R)
- C5: CH₂OH
3 centros quirales (C2, C3, C4)
Nomenclatura relativa
Nombre relativo
En la proyección de Fischer, el —OH del último centro quiral (C4, el carbono asimétrico más alejado del grupo aldehído) está a la derecha. Pero como el C2 tiene el OH a la izquierda y la configuración general corresponde a la serie L, se denomina L-Arabinosa.
Se mira el penúltimo carbono (el centro quiral más lejano del carbonilo). Si el —OH está a la derecha en la proyección de Fischer → serie D. Si está a la izquierda → serie L. En esta arabinosa, el OH del C4 está a la derecha, pero la configuración completa corresponde a la L-arabinosa (imagen especular de la D-arabinosa).
Nombre IUPAC
Nombre IUPAC
Cadena de 5 carbonos con grupo aldehído (pentanal) y tres grupos hidroxilo en C2, C3 y C4 con sus respectivas configuraciones absolutas.
Diasterómero propuesto
Diasterómeros
Son estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí. Se diferencian en la configuración de al menos un centro quiral, pero no de todos (si difirieran en todos, serían enantiómeros).
Invertimos la configuración del C3 solamente (de R a S), obteniendo la ribosa:
L-Arabinosa (original)
CHO
|
HO———H (C2: S)
|
H————OH (C3: R)
|
H————OH (C4: R)
|
CH₂OH L-Ribosa (diasterómero)
CHO
|
HO———H (C2: S)
|
HO———H (C3: S) ← invertido
|
H————OH (C4: R)
|
CH₂OH Diasterómero propuesto
Misma fórmula molecular C₅H₁₀O₅. Se invierte la configuración del C3 (de R a S). La L-Ribosa y la L-Arabinosa son diasterómeros porque difieren en la configuración de un centro quiral (C3) pero no son imágenes especulares.
| Centro quiral | L-Arabinosa | L-Ribosa |
|---|---|---|
| C2 | S | S |
| C3 | R | S |
| C4 | R | R |