Química orgànica: exercicis de selectivitat de Química (Catalunya)

Responeu només a DOS dels quatre apartats que es plantegen (4.1, 4.2, 4.3 i 4.4). Els medicaments antiinflamatoris no esteroidals, coneguts amb la sigla AINE, són un grup de fàrmacs heterogeni amb efecte antiinflamatori, analgèsic i antipirètic (abaixen la febre). Tot i que no estan exempts d'efectes secundaris, els que provoquen els AINE no són tan importants com els efectes secundaris dels medicaments antiinflamatoris esteroidals o corticoides. Dins el grup dels AINE hi trobem medicaments tan comuns com l'àcid acetilsalicílic (Aspirina®) o l'ibuprofèn (Dalsy®). Els AINE més antics es coneixien molt abans que el seu mecanisme d'acció fos explicat i per aquest motiu tradicionalment s'han classificat per l'estructura química. Dins d'aquesta classificació tradicional, les famílies més importants són els derivats de l'àcid salicílic, els derivats de l'àcid propiònic o àcid propanoic i els derivats de l'àcid acètic o àcid etanoic. Com podeu observar a la taula, la majoria d'aquests compostos presenten una funció d'àcid carboxílic que els proporciona propietats d'àcid feble amb valors de Ka entre 10⁻⁴ i 10⁻⁵. Taula d'exemples de fàrmacs antiinflamatoris no esteroidals (AINE), amb l'estructura de cada compost a la figura i la seva Ka: derivats de l'àcid salicílic — àcid acetilsalicílic (3,89 × 10⁻⁴), salicilat de metil (1,58 × 10⁻¹⁰), etenzamida (2,39 × 10⁻¹⁶); derivats de l'àcid propiònic — ibuprofèn (1,41 × 10⁻⁵), naproxèn (1,45 × 10⁻⁵), loxoprofèn (6,46 × 10⁻⁵); derivats de l'àcid acètic — diclofenac (1,00 × 10⁻⁴), fenclofenac (2,95 × 10⁻⁵), bromfenac (1,55 × 10⁻⁴). Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0.

Responeu només a DUES de les quatre qüestions plantejades (a, b, c i d). L'anomenat PLA (àcid polilàctic) o fibra de PLA és un polímer que es va començar a desenvolupar en els primers anys del segle XXI. Els seus usos són diversos; s'empra, per exemple, com a fil en la impressió 3D o en vasos biodegradables. És un bioplàstic que es pot obtenir a partir del blat de moro o de la remolatxa sucrera. Industrialment s'obté a partir de l'àcid làctic (substància A) o bé de la lactida (substància B). L'àcid làctic és un àcid orgànic monopròtic de fórmula molecular C₃H₆O₃ que es pot produir tant per síntesi artificial com a partir de fonts naturals i que s'utilitza com a intermediari sintètic en moltes indústries de síntesi orgànica i en diverses indústries bioquímiques. La lactida es pot obtenir normalment per la reacció entre dues molècules d'àcid làctic, que formen un dièster cíclic de fórmula molecular C₆H₈O₄. La figura mostra les substàncies A (àcid làctic, CH₃—CH(OH)—COOH), B (lactida, dièster cíclic de sis àtoms), C (HOOC—CH=CH—CH₂—CH₂—COOH amb el doble enllaç en configuració trans) i D (CH₃—O—CH₂—COOH), i l'espectre d'infraroig de l'àcid làctic (transmitància en funció del nombre d'ona): pics a ≈ 3 550 cm⁻¹ (el més estret i profund de la regió alta), ≈ 3 000 cm⁻¹ (petit), ≈ 1 750 cm⁻¹ (molt intens) i ≈ 1 100 cm⁻¹ (molt intens). Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Dades espectroscòpiques a la regió de l'infraroig (cm⁻¹): O—H 3 650-3 300; C—H 3 000-2 850; C=O 1 750-1 650; C=C 1 650-1 500; C—O—C (èter) 1 300-1 000; C—O (alcohol) 1 260-1 000.

Responeu només a DUES de les quatre qüestions plantejades (a, b, c i d). L'etanol i l'èter dimetílic, o dimetil èter, són dos compostos orgànics amb la mateixa fórmula molecular (C₂H₆O), però amb estructures i propietats químiques molt diferents. — L'etanol és un alcohol amb un grup funcional hidroxil que li confereix una polaritat significativa i la capacitat de formar enllaços d'hidrogen amb altres molècules. És conegut per ser l'alcohol que es troba en les begudes alcohòliques, però també té usos com a antisèptic i dissolvent, i en la producció de biocombustible. — L'èter dimetílic, en canvi, pertany a la família dels èters. Aquest compost és menys polar que l'etanol i no pot formar enllaços d'hidrogen entre les seves pròpies molècules. S'utilitza sobretot com a propel·lent en esprais i com a possible substitut del dièsel en alguns motors. L'entalpia de combustió d'1 mol d'èter dimetílic és de −1 292 kJ mol⁻¹. En resum, l'etanol i l'èter dimetílic són exemples excel·lents de com compostos amb la mateixa fórmula molecular poden presentar propietats molt diferents a causa dels seus grups funcionals i estructures. L'espectrometria d'infraroig (IR) és la tècnica ideal per a identificar ràpidament els tipus de grups funcionals presents en un determinat compost orgànic. Per tant, és una eina que permet distingir aquestes dues substàncies. La figura mostra l'espectre d'IR de la qüestió c (transmitància en funció del nombre d'ona, de 4 000 a 400 cm⁻¹): una banda molt ampla i profunda centrada a ≈ 3 400 cm⁻¹, un senyal agut a ≈ 2 950 cm⁻¹ i diversos senyals entre 1 100 i 1 000 cm⁻¹. Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Entalpies d'enllaç a 25 °C i 1 atm (kJ mol⁻¹): C—C 348; C—H 412; C—O 358; O—H 463; O=O 498; C=O 799. Dades de l'IR (cm⁻¹): O—H 3 550-3 200; C—H 3 000-2 850; C=O 1 750-1 650; C=C 1 650-1 500; C—O—C (èter) 1 300-1 000; C—O (alcohol) 1 260-1 000. Entropia estàndard absoluta a 298 K, S° (J mol⁻¹ K⁻¹): CH₃OCH₃(g) 267,34; CO₂(g) 213,6; O₂(g) 205,0; H₂O(g) 188,8.

Responeu només a DUES de les quatre qüestions plantejades (a, b, c i d). El cloroetè (CH₂=CHCl), també anomenat clorur de vinil, figura entre els compostos químics més produïts arreu del món perquè és el monòmer a partir del qual s'obté el clorur de polivinil (PVC), un plàstic ben conegut i molt utilitzat per a fer canonades, persianes o finestres, entre d'altres aplicacions. La figura mostra la polimerització del clorur de vinil amb un catalitzador per donar el PVC. El clorur de vinil es pot obtenir a partir d'acetilè (CH≡CH) i clorur d'hidrogen segons la reacció de síntesi següent: CH≡CH(g) + HCl(g) → CH₂=CHCl(g) Després, aquest compost pot reaccionar fàcilment amb el clor per a donar 1,1,2-tricloroetà, un dissolvent organoclorat: CH₂=CHCl(g) + Cl₂(g) → CH₂Cl—CHCl₂(l) Dades: Entalpia estàndard de formació a 298 K, ΔHf° (kJ mol⁻¹): CH≡CH(g) −226,9; HCl(g) −92,3; CH₂=CHCl(g) −37,26. Entalpia d'enllaç a 25 °C i 1 atm (kJ mol⁻¹): C—C 348; C—H 412; C=C 608; Cl—Cl 242; C—Cl 328. Constant universal dels gasos ideals: R = 0,082 atm L K⁻¹ mol⁻¹; R = 8,314 J K⁻¹ mol⁻¹. Nombres atòmics: Z(H) = 1; Z(C) = 6; Z(Cl) = 17. Electronegativitat segons l'escala de Pauling: H = 2,2; C = 2,5; Cl = 3,2.

Un alquè de fórmula molecular C₄H₈ és un gas incolor que es troba en el petroli cru. Aquest alquè es pot usar com a monòmer per a produir polibutè, però aquest polímer resulta més car que les seves alternatives amb cadenes més curtes de carboni, com el polipropilè. [Figura (apartat b): unitats que es repeteixen de quatre polímers. A: –[CH₂–CH₂]ₙ–. B: –[CH(CH₃)–CH₂]ₙ–. C: –[CH₂–CHCl]ₙ–. D (niló 6,6): –[CO–(CH₂)₄–CO–NH–(CH₂)₆–NH]ₙ–.]

L'1-butanol o butan-1-ol és un compost orgànic amb la fórmula molecular C₄H₁₀O. A temperatura ambient, el butan-1-ol és un líquid parcialment soluble en aigua, però completament soluble en dissolvents orgànics. L'1-butanol es troba present en petites quantitats en moltes begudes produïdes per fermentació alcohòlica de sucres i carbohidrats. S'utilitza principalment com a dissolvent en la fabricació de vernissos i en la producció d'acetat de butil, una aroma artificial i un dissolvent àmpliament utilitzat. [Figura (apartat b): ciclohexanol ⇄ ciclohexè + H₂O, amb H₂SO₄ sobre les fletxes d'equilibri.] Dades: Electronegativitat segons l'escala de Pauling: H = 2,2; C = 2,55; O = 3,44.

L'infraroig és la part de l'espectre electromagnètic compresa entre les regions visible i de microones. És una radiació poc energètica que només provoca canvis en els nivells d'energia vibracional dels enllaços de les molècules. És a dir, l'energia d'aquesta radiació és capaç de provocar un salt des del nivell fonamental d'energia vibracional fins a un nivell excitat. L'infraroig és la tècnica espectroscòpica ideal per a identificar ràpidament els tipus de grups funcionals presents en un determinat compost orgànic o material. [Figura 1: molècules A, B i C. A: anell de benzè amb un grup OH i, en posició orto, un grup –COOCH₃. B: ciclohexanona amb, en posició 3, un anell de pirrolidina unit pel carboni 2 i amb el nitrogen metilat (N–CH₃). C: CH₃–O–CH₂–CH₂–CHO.] [Figura 2: espectre d'infraroig, transmitància (%) en funció del nombre d'ona (4 000–500 cm⁻¹): banda ampla al voltant de 3 200 cm⁻¹, bandes petites prop de 2 900–3 000 cm⁻¹, banda molt intensa prop de 1 680–1 700 cm⁻¹, bandes intenses entre 1 600 i 1 450 cm⁻¹ i nombroses bandes entre 1 300 i 1 000 cm⁻¹ i per sota.] Dades espectroscòpiques a la regió de l'infraroig (interval del nombre d'ona, cm⁻¹): C—H 2 850-3 000; O—H 3 550-3 200; C=C 1 500-1 650; C=O 1 650-1 750; C—O 1 000-1 300; C—N 1 100-1 250.

En una empresa química que produeix dissolvents tenen un problema d'identificació de dos lots elaborats, un d'etanol i un altre d'acetona, també anomenada propanona. Per poder identificar quin dissolvent hi ha en cada lot, realitzen un espectre de masses d'una mostra de cada un dels lots. [Figura: dos espectres de masses (intensitat relativa en funció de m/z). Mostra I (m/z de 10 a 50): pic més intens (100 %) a m/z = 31; altres pics a m/z = 45 (≈ 50 %), 29 (≈ 30 %), 27 (≈ 22 %), 46 (≈ 22 %, el de m/z més gran), 43 (≈ 11 %), 26 (≈ 10 %), 30 (≈ 8 %) i 15 (≈ 7 %). Mostra II (m/z de 10 a 60): pic més intens (100 %) a m/z = 43; altres pics a m/z = 58 (≈ 25 %, el de m/z més gran), 15 (≈ 12 %), 42 (≈ 10 %), 27 (≈ 7 %), 26 i 14 (≈ 5 %).] Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12; O = 16,0. Velocitat de la llum en el buit: c = 3,0 × 10⁸ m s⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s.