Oxidación de alcoholes
Lo que vas a aprender
- Predecir el producto de la oxidación suave de un alcohol primario, secundario o terciario.
- Comprobar con la fórmula molecular qué cambia en cada paso (se pierden dos H, o se gana un O).
- Explicar por qué un alcohol terciario no se oxida en condiciones suaves.
- Usar la prueba del dicromato para clasificar alcoholes, con las normas de seguridad del laboratorio.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Una botella de vino abierta que se deja varios días se agria: unas bacterias oxidan el etanol del vino y lo convierten en ácido acético, el ácido del vinagre. En la industria, la misma familia de reacciones convierte alcoholes en aldehídos para perfumes, en cetonas que sirven de solventes y en ácidos para alimentos y plásticos.
Esta lección responde una pregunta concreta: si oxidas un alcohol, ¿qué obtienes? La respuesta depende de una sola cosa, cuántos hidrógenos tiene el carbono que lleva el –OH, y sirve además para distinguir alcoholes en el laboratorio.
Antes de empezar recuerda la regla de la lección anterior: una molécula orgánica se oxida cuando gana oxígeno o pierde hidrógeno.
Explicación
El carbono que lleva el –OH
En un alcohol, el carbono unido al grupo –OH se llama carbono carbinólico. Ese carbono tiene cuatro enlaces: uno con el –OH, otros con carbonos vecinos y el resto con hidrógenos. Por eso el número de hidrógenos del carbono carbinólico se calcula así:
$$\text{hidrógenos del carbono carbinólico} = 4 - 1 - (\text{carbonos vecinos})$$
- Alcohol primario: un carbono vecino, dos hidrógenos. Ejemplo: el etanol, CH₃–CH₂–OH. El metanol, CH₃–OH, no tiene carbonos vecinos y su carbono tiene tres hidrógenos; se comporta como un primario.
- Alcohol secundario: dos carbonos vecinos, un hidrógeno. Ejemplo: el propan-2-ol, CH₃–CH(OH)–CH₃.
- Alcohol terciario: tres carbonos vecinos, ningún hidrógeno. Ejemplo: el 2-metilpropan-2-ol, (CH₃)₃C–OH.
Qué hace el oxidante
Los oxidantes que se usan en el laboratorio escolar son el dicromato de potasio o el permanganato de potasio en medio ácido. En las ecuaciones orgánicas su aporte se resume como [O], un oxígeno que viene del oxidante. En la oxidación suave de un alcohol salen dos hidrógenos: el del grupo –OH y uno del carbono carbinólico. Esos dos hidrógenos se van con el [O] como una molécula de agua, y el enlace sencillo C–O se vuelve doble, C=O: se forma un grupo carbonilo.
Primario, secundario, terciario
Un alcohol primario pierde dos hidrógenos y se convierte en un aldehído. El etanol da etanal, CH₃–CHO. Pero el aldehído todavía tiene un hidrógeno en el carbono del carbonilo, y se oxida con facilidad: gana un oxígeno y se convierte en un ácido carboxílico, el ácido etanoico, CH₃–COOH. Si se quiere detener la reacción en el aldehído, se retira por destilación a medida que se forma; si se calienta mucho tiempo con oxidante de sobra, se llega al ácido.
Un alcohol secundario pierde dos hidrógenos y se convierte en una cetona. El propan-2-ol da propanona, CH₃–CO–CH₃. La cetona ya no tiene hidrógeno en el carbono del carbonilo: para seguir oxidándola habría que romper un enlace C–C, y eso no pasa en condiciones suaves.
Un alcohol terciario no se oxida en condiciones suaves. Su carbono carbinólico no tiene ningún hidrógeno que perder, así que no puede formar el doble enlace C=O sin romper la cadena. Solo un oxidante muy fuerte y caliente lo ataca, partiendo la molécula.
Lo que dice la fórmula molecular
Las fórmulas moleculares confirman la regla. Un alcohol de cadena abierta y sin dobles enlaces es CₙH₂ₙ₊₂O. Al perder dos hidrógenos queda CₙH₂ₙO, que es la fórmula del aldehído o de la cetona; al ganar un oxígeno, el aldehído queda CₙH₂ₙO₂, el ácido. Fíjate en que el propanal y la propanona tienen la misma fórmula, C₃H₆O: son isómeros. La fórmula molecular no los distingue; la estructura, sí.
Para las masas molares de esta lección usa C = 12, H = 1 y O = 16 (en g/mol).
La prueba del dicromato
El ion dicromato, Cr₂O₇²⁻, es naranja. Cuando oxida un alcohol se reduce a Cr³⁺, que es verde. Con el etanol, la ecuación iónica es esta (no hace falta memorizarla):
3C₂H₆O + Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ → 3C₂H₄O + 2Cr³⁺ + 7H₂O
Por eso la prueba clasifica alcoholes: con un primario o un secundario la solución pasa de naranja a verde; con un terciario sigue naranja. Para distinguir después un aldehído de una cetona sirven las pruebas de Tollens y de Fehling, que dan positivo con los aldehídos porque estos se oxidan con facilidad.
Seguridad. El dicromato de potasio es tóxico y puede causar cáncer, y el ácido sulfúrico es corrosivo. La prueba se hace solo en el laboratorio, con el docente, con gafas, guantes y bata, en cantidades pequeñas, y los residuos van al recipiente que indique el docente, nunca al desagüe. Nada de esto se intenta en casa.
Ejemplo resuelto
Del etanol al ácido etanoico
Sigue con fórmulas moleculares la oxidación del etanol, C₂H₆O, hasta etanal, C₂H₄O, y hasta ácido etanoico, C₂H₄O₂. ¿Qué cambia en cada paso?
Ver la solución paso a paso
Primer paso. Del etanol al etanal se pierden dos hidrógenos…
$$\text{átomos de H en }\mathrm{C_{2}H_{6}O} - \text{átomos de H en }\mathrm{C_{2}H_{4}O} = 2$$
…y el número de oxígenos no cambia.
$$\text{átomos de O en }\mathrm{C_{2}H_{6}O} = \text{átomos de O en }\mathrm{C_{2}H_{4}O}$$
Los dos hidrógenos salen con el [O] del oxidante como agua. La ecuación está balanceada:
$$\mathrm{C_{2}H_{6}O + [O] \rightarrow C_{2}H_{4}O + H_{2}O}$$
Segundo paso. Del etanal al ácido etanoico se gana un oxígeno…
$$\text{átomos de O en }\mathrm{C_{2}H_{4}O_{2}} - \text{átomos de O en }\mathrm{C_{2}H_{4}O} = 1$$
…y los hidrógenos no cambian.
$$\text{átomos de H en }\mathrm{C_{2}H_{4}O_{2}} = \text{átomos de H en }\mathrm{C_{2}H_{4}O}$$
La ecuación del segundo paso:
$$\mathrm{C_{2}H_{4}O + [O] \rightarrow C_{2}H_{4}O_{2}}$$
Respuesta: En el primer paso el etanol pierde 2 H (se forma el aldehído); en el segundo el etanal gana 1 O (se forma el ácido). Las dos son oxidaciones.
Ejemplo resuelto
Tres frascos de C₄H₁₀O
Tres frascos sin etiqueta contienen butan-1-ol, butan-2-ol y 2-metilpropan-2-ol, los tres de fórmula C₄H₁₀O. Se trata una gota de cada uno con dicromato acidificado, calentando suave. ¿Qué pasa en cada frasco?
Ver la solución paso a paso
La fórmula molecular no sirve para distinguirlos: los tres tienen cuatro carbonos, diez hidrógenos y un oxígeno. Hay que mirar el carbono carbinólico.
Butan-1-ol, CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–OH: el carbono carbinólico tiene un carbono vecino. Sus hidrógenos:
$$4 - 1 - 1$$
Tiene $2$: es primario. Se oxida a butanal: el butan-1-ol pierde dos hidrógenos, que salen con el [O] como agua.
La ecuación, con fórmulas moleculares:
$$\mathrm{C_{4}H_{10}O + [O] \rightarrow C_{4}H_{8}O + H_{2}O}$$
El dicromato se reduce y la solución pasa de naranja a verde.
Butan-2-ol, CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃: el carbono carbinólico tiene dos carbonos vecinos.
$$4 - 1 - 2$$
Tiene $1$: es secundario. Se oxida a butanona, de la misma fórmula que el butanal, y la solución también se pone verde.
2-metilpropan-2-ol, (CH₃)₃C–OH: el carbono carbinólico tiene tres carbonos vecinos.
$$4 - 1 - 3$$
Tiene $0$ hidrógenos en el carbono carbinólico: no puede perder los dos hidrógenos que pide la oxidación. La solución sigue naranja.
Por último, comprobamos la ecuación del cambio de color con el etanol, en átomos y en cargas:
$$\mathrm{3C_{2}H_{6}O + Cr_{2}O_{7}²⁻ + 8H⁺ \rightarrow 3C_{2}H_{4}O + 2Cr³⁺ + 7H_{2}O}$$
La carga, en detalle: a la izquierda, un dicromato (−2) y ocho H⁺; a la derecha, dos Cr³⁺.
$$-2 + 8 \cdot 1 = 2 \cdot 3$$
Respuesta: El butan-1-ol y el butan-2-ol ponen verde el dicromato; el 2-metilpropan-2-ol, terciario, lo deja naranja. Para separar los dos primeros se prueba el producto con Tollens: el butanal da positivo y la butanona no.
Ejemplo resuelto
La cetona del propan-2-ol
Escribe la oxidación del propan-2-ol, C₃H₈O, y comprueba que su producto tiene la misma fórmula molecular que el propanal.
Ver la solución paso a paso
El carbono carbinólico del propan-2-ol tiene dos carbonos vecinos, así que le queda un hidrógeno: es secundario.
$$4 - 1 - 2$$
Le queda $1$ hidrógeno, suficiente para una oxidación.
Pierde dos hidrógenos y se forma la propanona. La ecuación está balanceada:
$$\mathrm{C_{3}H_{8}O + [O] \rightarrow C_{3}H_{6}O + H_{2}O}$$
La propanona es C₃H₆O: tiene el doble de hidrógenos que de carbonos, como pide CₙH₂ₙO.
$$\text{átomos de H en }\mathrm{C_{3}H_{6}O} = 2 \cdot \text{átomos de C en }\mathrm{C_{3}H_{6}O}$$
El propanal, CH₃–CH₂–CHO, que sale del propan-1-ol, tiene esa misma fórmula: misma masa molar, estructura distinta.
$$M_m\left(\mathrm{C_{3}H_{6}O}\right) = 58$$
Respuesta: C₃H₈O + [O] → C₃H₆O + H₂O. La propanona y el propanal son isómeros de fórmula C₃H₆O y masa molar 58 g/mol.
Ejemplo resuelto
Cuánto ácido sale del etanol
Con datos inventados, se oxidan por completo 23 g de etanol hasta ácido etanoico según $\mathrm{C_{2}H_{6}O + 2[O] \rightarrow C_{2}H_{4}O_{2} + H_{2}O}$. ¿Cuántos gramos de ácido se obtienen si todo el etanol reacciona?
Ver la solución paso a paso
La ecuación global (los dos pasos sumados) está balanceada: dos carbonos, seis hidrógenos y tres oxígenos a cada lado.
$$\mathrm{C_{2}H_{6}O + 2[O] \rightarrow C_{2}H_{4}O_{2} + H_{2}O}$$
De gramos a moles de etanol, con su masa molar:
$$\frac{23}{M_m\left(\mathrm{C_{2}H_{6}O}\right)}$$
La masa molar del etanol es 2 · 12 + 6 + 16 = 46 g/mol:
$$\frac{23}{46}$$
Son $0{,}5$ mol de etanol.
Por cada mol de etanol sale un mol de ácido. La masa molar del ácido etanoico es:
$$M_m\left(\mathrm{C_{2}H_{4}O_{2}}\right) = 60$$
Multiplicamos:
$$0{,}5 \cdot 1 \cdot 60$$
Se obtienen $30$ g de ácido etanoico.
Respuesta: Se obtienen 30 g de ácido etanoico.
Práctica
Ordena las fórmulas de la oxidación del etanol, de la primera a la última: en cada paso la molécula pierde dos hidrógenos o gana un oxígeno.
El propan-1-ol, C₃H₈O, se oxida a propanal, C₃H₆O. ¿Cuántos hidrógenos pierde?
Pasa de ocho a seis hidrógenos: pierde el del –OH y uno del carbono carbinólico, que salen como agua con el [O].
El propanal, C₃H₆O, se oxida a ácido propanoico, C₃H₆O₂. ¿Cuántos oxígenos gana?
Los hidrógenos no cambian y el oxígeno pasa de uno a dos: el C–H del grupo aldehído se convierte en C–OH y se forma el grupo carboxilo.
¿Cuántos hidrógenos tiene el carbono carbinólico del butan-2-ol, CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃, que está unido a dos carbonos?
4 enlaces − 1 con el –OH − 2 con carbonos = 1 hidrógeno. Es un alcohol secundario y se oxida a butanona.
¿Verdadero o falso? El 2-metilpropan-2-ol, cuyo carbono carbinólico está unido a tres carbonos, se oxida a una cetona con dicromato en condiciones suaves.
Su carbono carbinólico tiene 4 − 1 − 3 = 0 hidrógenos: no puede perder los dos hidrógenos que pide la oxidación. Es terciario, y el dicromato sigue naranja.
El metanol, CH₄O, se oxida a metanal. ¿Cuál es la masa molar del metanal, en g/mol?
El metanal pierde dos hidrógenos respecto al metanol: CH₂O, con masa molar 12 + 2 + 16 = 30 g/mol. 32 es la masa del metanol y 46 la del ácido metanoico, el paso siguiente.
El propan-2-ol se oxida a propanona según $\mathrm{C_{3}H_{8}O + [O] \rightarrow C_{3}H_{6}O + H_{2}O}$. ¿Cuántos gramos de propanona se obtienen con 30 g de propan-2-ol, si todo reacciona?
La masa molar del alcohol es 60 g/mol: 30 g son 0,5 mol. Sale 0,5 mol de propanona, de 58 g/mol: 0,5 · 58 = 29 g.
El butan-1-ol, C₄H₁₀O, se oxida por completo hasta ácido butanoico. ¿Cuántos hidrógenos tiene la molécula del ácido?
En el primer paso pierde dos hidrógenos (butanal, C₄H₈O) y en el segundo gana un oxígeno sin cambiar los hidrógenos: el ácido es C₄H₈O₂.
¿Verdadero o falso? Cuando el propan-2-ol, C₃H₈O, se oxida a propanona, C₃H₆O, la masa molar baja en 2 g/mol.
Se pierden dos hidrógenos, de 1 g/mol cada uno: la masa molar pasa de 60 a 58 g/mol.
En la oxidación completa del etanol, $\mathrm{C_{2}H_{6}O + 2[O] \rightarrow C_{2}H_{4}O_{2} + H_{2}O}$, ¿cuántos oxígenos aporta el oxidante por cada molécula de etanol?
En los productos hay 2 + 1 = 3 oxígenos y el etanol aporta 1: el oxidante pone 2, uno en cada paso.
Se calientan suavemente, por separado, estos cuatro alcoholes con dicromato acidificado. Uno de ellos deja la solución naranja. ¿Cuál es?
Es el único terciario: su carbono carbinólico no tiene hidrógenos y no se oxida en condiciones suaves. El etanol y el metanol (primarios) y el propan-2-ol (secundario) reducen el dicromato y la solución se pone verde.
Quieres obtener etanal a partir de etanol, y no ácido etanoico. ¿Qué conviene hacer?
El aldehído se oxida con facilidad hasta ácido si se queda en contacto con el oxidante. Sacarlo de la mezcla en cuanto se forma lo protege; calentar con oxidante de sobra lleva justo al ácido.
Reto
¿Qué da cada alcohol con un oxidante suave?
Cuenta los carbonos vecinos del carbono que lleva el –OH: uno (o ninguno), dos o tres.
Reto
Completa la oxidación del butan-2-ol.
Primero cuenta los hidrógenos del carbono carbinólico; después compara las fórmulas del alcohol y de la cetona.
Cierre
En resumen
Al oxidarse, un alcohol pierde dos hidrógenos (el del –OH y uno del carbono carbinólico) y se forma un grupo C=O.
Un alcohol primario da un aldehído, que puede seguir oxidándose hasta ácido carboxílico ganando un oxígeno.
Un alcohol secundario da una cetona, que ya no se oxida en condiciones suaves.
Un alcohol terciario no se oxida en condiciones suaves: su carbono carbinólico no tiene hidrógenos.
El dicromato pasa de naranja a verde con alcoholes primarios y secundarios, y sigue naranja con los terciarios; se usa solo en el laboratorio, con el docente.
Vocabulario
- Carbono carbinólico
El carbono que lleva el grupo –OH en un alcohol.
- Alcohol primario
Alcohol cuyo carbono carbinólico está unido a un solo carbono (o a ninguno, como en el metanol); ese carbono tiene dos o tres hidrógenos.
- Alcohol secundario
Alcohol cuyo carbono carbinólico está unido a dos carbonos; ese carbono tiene un hidrógeno.
- Alcohol terciario
Alcohol cuyo carbono carbinólico está unido a tres carbonos; ese carbono no tiene hidrógenos.
- Agente oxidante
Sustancia que provoca la oxidación de otra y se reduce en el proceso; en las ecuaciones orgánicas su oxígeno se escribe [O].
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Pregunte qué le pasa a un vino abierto varios días y por qué huele a vinagre. Escriba en el tablero etanol → ácido acético y pida que propongan qué cambió en la fórmula.
- Explicación · 25 min — Carbono carbinólico y su cuenta de hidrógenos; los tres casos con modelos de esferas o dibujos en el tablero; los ejemplos del etanol y de los tres frascos de C₄H₁₀O.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas y las canastas. Si hace la prueba del dicromato como demostración, hágala usted, con gafas, guantes y cantidades de gotas, y recoja los residuos de cromo aparte.
- Cierre · 5 min — Cada estudiante explica en una frase por qué el alcohol terciario no se oxida.
Preguntas para el salón
- ¿Por qué el aldehído se sigue oxidando y la cetona no?
- Si el butan-1-ol y el butan-2-ol tienen la misma fórmula, ¿cómo los distinguirían en el laboratorio?
- ¿Qué indica que la solución de dicromato se ponga verde?
- ¿Por qué decimos que el agente oxidante se reduce?
Errores típicos
- Creer que el alcohol terciario se oxida a cetona. Pida contar los hidrógenos del carbono carbinólico con 4 − 1 − (carbonos vecinos): con cero hidrógenos no se puede formar el C=O sin romper la cadena.
- Pensar que la oxidación siempre agrega oxígeno. Compare las fórmulas del etanol y del etanal: el oxígeno no cambia, se pierden dos hidrógenos. Recuerde que perder hidrógeno también es oxidarse.
- Contar como carbonos vecinos los hidrógenos o el oxígeno. Pida rodear el carbono carbinólico y marcar solo los enlaces C–C que salen de él.
- Creer que la fórmula molecular basta para distinguir un aldehído de una cetona. Muestre que propanal y propanona son C₃H₆O y dibuje las dos estructuras.
Tarea sugerida
Para el pentan-1-ol, el pentan-2-ol y el 2-metilbutan-2-ol, decir si son primarios, secundarios o terciarios, escribir con fórmulas moleculares la oxidación suave de los que se oxidan y comprobar que cada ecuación está balanceada. Es un ejercicio de papel: no se hace en casa ninguna prueba.