Dos frascos sin etiqueta de fórmula C₄H₈O₂: ácido, éster e isomería
En el armario de reactivos de un centro de secundaria aparecen dos frascos sin etiqueta, A y B, con el mismo análisis elemental: 54,5 % de C, 9,1 % de H y 36,4 % de O, y una masa molar cercana a 88 g/mol. Ambos son líquidos incoloros miscibles en agua. A huele a vinagre y hierve a 164 °C; B huele a fruta y hierve a 77 °C. Ensayos rápidos: con NaHCO₃ 0,1 M solo A desprende burbujas; con reactivo de Tollens ninguno de los dos forma espejo de plata; al hidrolizar B en medio ácido se obtiene un alcohol que, tratado con K₂Cr₂O₇/H₂SO₄, se transforma en un ácido de olor avinagrado. El profesor pide identificar ambos compuestos, revisar si algún isómero de esa fórmula es ópticamente activo y proponer la secuencia de reacciones que explica el ensayo de hidrólisis.
1. Determina la fórmula molecular a partir de los porcentajes y la masa molar, e identifica A y B justificando cada asignación con los datos disponibles.
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Base de cálculo 100 g: n(C) = 54,5/12,0 = 4,54 mol; n(H) = 9,1/1,0 = 9,1 mol; n(O) = 36,4/16,0 = 2,28 mol Dividiendo por el menor (2,28): C = 2, H = 4, O = 1 → fórmula empírica C₂H₄O (M = 44,05 g/mol). Como M ≈ 88 ≈ 2 × 44,05, la fórmula molecular es C₄H₈O₂.
Con ese grado de insaturación (1) y dos oxígenos, las opciones son ácido carboxílico o éster.
- A: desprende CO₂ con NaHCO₃, reacción característica de un ácido carboxílico (R–COOH + NaHCO₃ → R–COONa + CO₂ + H₂O). El olor avinagrado y el punto de ebullición alto (164 °C, propio de la fuerte asociación por puentes de hidrógeno) encajan con el ácido butanoico, CH₃CH₂CH₂COOH.
- B: no reacciona con bicarbonato (no es ácido), es un éster; su hidrólisis da un alcohol que se oxida al ácido que huele a vinagre, es decir, etanol → ácido etanoico. Por tanto B es el etanoato de etilo (acetato de etilo), CH₃COOCH₂CH₃. El punto de ebullición bajo de B (77 °C) es coherente con un éster, que no puede donar puentes de hidrógeno intermoleculares.
2. Escribe y clasifica los isómeros de fórmula C₄H₈O₂ que sean ésteres, e indica razonadamente si alguno de los isómeros de esa fórmula presenta actividad óptica.
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Ésteres con C₄H₈O₂: solo hay dos, porque el grupo –COO– consume un carbono y los tres restantes se reparten entre las dos cadenas.
- Etanoato de etilo: CH₃–COO–CH₂–CH₃
- Propanoato de metilo: CH₃–CH₂–COO–CH₃
Son isómeros entre sí de posición/ cadena (misma función, distinta distribución de carbonos) y son isómeros de función respecto del ácido butanoico y del ácido 2-metilpropanoico, que también son C₄H₈O₂.
Actividad óptica: se necesita un carbono estereogénico, es decir, un carbono sp³ unido a cuatro grupos distintos. Ninguno de los ésteres la presenta (el carbono del grupo éster es sp² y plano; en el etanoato de etilo el CH₂ tiene dos hidrógenos idénticos). Tampoco el ácido butanoico.
Sí es quirales un isómero de función como el 2-hidroxibutanal, CH₃–CH₂–CH(OH)–CHO: el C2 está unido a –H, –OH, –CH₂CH₃ y –CHO, cuatro grupos diferentes. También lo es el 3-hidroxibutanal, CH₃–CH(OH)–CH₂–CHO. Cada uno tendría dos enantiómeros (R y S) con propiedades físicas idénticas salvo el sentido de giro de la luz polarizada.
3. Escribe la hidrólisis ácida de B y la oxidación posterior del alcohol con K₂Cr₂O₇/H₂SO₄, indica el tipo de reacción en cada caso y explica la observación experimental (naranja → verde) y por qué Tollens fue negativo.
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Hidrólisis ácida (ruptura del éster): CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O ⇌(H⁺) CH₃COOH + CH₃CH₂OH Es una hidrólisis, es decir, una sustitución nucleófila sobre el carbono acílico: el agua actúa como nucleófilo y el ácido protona el oxígeno carbonílico para activar el grupo. Es reversible; en medio básico (saponificación) sería irreversible y daría la sal del ácido.
Oxidación del etanol: 3 CH₃CH₂OH + 2 K₂Cr₂O₇ + 8 H₂SO₄ → 3 CH₃COOH + 2 Cr₂(SO₄)₃ + 2 K₂SO₄ + 11 H₂O En forma iónica, el oxidante es el dicromato: Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 e⁻ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O. El etanol se oxida primero a etanal y luego a ácido etanoico (oxidación fuerte y en exceso de oxidante).
Observación: el Cr(VI) (Cr₂O₇²⁻) es naranja y el Cr(III) es verde; el cambio de color indica que el dicromato se ha reducido, es decir, que el alcohol se ha oxidado.
Tollens negativo: el reactivo de Tollens solo se reduce (espejo de plata) con aldehídos. Ni el ácido butanoico ni el etanoato de etilo tienen grupo aldehído. El etanal que se forma como intermedio en la oxidación no se acumula si hay dicromato en exceso; si se quisiera detectarlo habría que destilarlo a medida que se forma.