1. FundamentosdeQUMICAOrgnica BRUICE La finalidad de este libro
es ofrecer a los estudiantes un enfoque de la qumica orgnica como
una ciencia emocionante y con mucha importancia en la vida
cotidiana. As, la obra gira en torno a las caractersticas
fundamentales y a los conceptos unificadores de la ciencia, y hace
hincapi en los principios que se pueden aplicar de manera constante
en el anlisis de los fenmenos de diversos campos. La qumica orgnica
forma parte integral de la biologa y de la vida cotidiana. Por
consiguiente, a lo largo de esta obra se incluyen alrededor de 100
cuadros informativos, diseados para mostrar al alumno la relevancia
de la qumica orgnica en la medicina (suturas absorbibles, control
del colesterol y tratamiento de enfermedades cardiacas, o uso de la
sangre artificial); en la agricultura (herbicidas resistentes,
lluvia cida, pesticidas naturales y sintticos); en la nutricin (las
grasas trans, tasa metablica basal, cidos grasos omega); y en la
vida que compartimos en este planeta (combustibles fsiles, medidas
de toxicidad, polmeros biodegradables). El texto incluye las
siguientes caractersticas didcticas: Problemas resueltos y
estrategias para solucin de problemas similares. Notas al margen y
material en recuadros para facilitar su repaso. Resmenes y globos
de dilogo de ayuda para el estudiante. Numerosas estructuras
tridimensionales generadas por computadora. Visite el sitio Web de
este libro en: www.pearsoneducacion.net/bruice Vistenos en:
www.pearsoneducacion.net
2. Fundamentos de Qumica Orgnica Paula Yukanis Bruice Primera
edicin eBook
3. Informacin til para recordar Cuanto ms fuerte es un cido, ms
dbil es su base conjugada. (2.1) El cido ms fuerte, tendr ms
facilidad para donar un protn. (2.2) Cuanto ms fuerte es el cido,
menor es su pKa. (2.2) La fuerza de un cido se determina por medio
de la estabilidad de la base, que se forma cuando el cido dona su
protn. Cuanto ms estable sea la base, ms fuerte es su cido
conjugado. (2.3) Al moverse por una fila en la tabla peridica,
cuanto ms electronegativo sea el tomo al que se agrega el hidrgeno,
ms fuerte ser el cido. Electronegatividad: F . O . N . C (2.3) Al
bajar por una columna en la tabla peridica: cuanto ms grande sea el
tomo al que se le aade el hidrgeno, ms fuerte ser el cido. (2.3) Un
compuesto existe principalmente en su forma cida (con su protn) en
soluciones que son ms cidas que su valor pKa y, en su forma bsica
(sin su protn) en soluciones que son ms bsicas que el valor del
pKa. (2.4) Estabilidad del alqueno: cuanto ms sustituyentes alquilo
estn unidos a los carbonos sp2 de un alqueno, mayor es su
estabilidad. (4.6) Los sustituyentes alquilo estabilizan a los
alquenos, carbocationes y radicales (4.5, 5.2, 9.3) Los tomos o
molculas ricos en electrones son atrados por los tomos o molculas
con dficit de electrones. Es decir, los neclefilos atraen a los
electrfilos. (4.7) Las flechas curvas muestran el flujo de
electrones; se trazan desde un tomo o molcula ricos en electrones
hasta un tomo o molcula con dficit de electrones. (4.47)
Estabilidad de los carbocationes: 3 . bencil , alil , 2 . 1 . metil
. vinil (5.2) En una reccin de adicin electroflica de los alquenos,
el electrfilo se une al carbono sp2 que est unido al mayor nmero de
hidrgenos. (5.3) Una reaccin de reduccin aumenta el nmero de
enlaces CH. (5.12) Electronegatividad: sp . sp2 . sp3 . (5.13)
Cuanto ms grande es la estabilidad pronosticada del contribuyente
de resonancia, mayor es su contribucin a la estructura del hbrido
de resonancia. (6.5) La estabilizacin por resonancia es la medida
de la diferencia que hay entre la estabilidad de un compuesto con
electrones deslocalizados y la estabilidad que tendra si sus
electrones estuvieran confinados. (6.6) Los dienos conjugados son
ms estables que los dienos aislados. (6.7) Para que un compuesto
sea aromtico debe de ser cclico y plano, y debe tener una nube
ininterrumpida de electrones p. La nube p debe tener un nmero impar
de pares de electrones p. (7.1) Todos los sustituyentes activadores
del anillo de benceno hacia una sustitucin electroflica son
director orto/para. Los halgenos son tambin directores orto/para.
Todos los sustituyentes que aceptan electrones (con excepcin de los
halgenos), que desactivan al anillo de benceno hacia una sustitucin
electroflica son directores meta. (7.13) Una molcula quiral tiene
una imagen especular no superpuesta. (8.4) Un compuesto con uno o
ms centros asimtricos podr ser pticamente activo, excepto si es un
compuesto meso. (8.10) Estabilidad del radical: 3 . 2 .1 metil.
(9.3) Cuanto mayor sea la reactividad de una especie, menos
selectiva ser. (9.4) Cuanto ms dbil sea la base, mejor ser como
grupo saliente. (10.3) En una reaccin de eliminacin, el hidrgeno se
remueve de un carbono b que est unido al menor nmero de hidrgenos.
(10.8) Cuanto ms dbil es una base, ms fcilmente puede ser
desplazada. (11.2) Una reaccin de oxidacin disminuye el nmero de
enlaces CH. (11.4) La reactividad relativa de un derivado de cido
carboxlico: cloruro de acilo . ster , cido carboxlico . amida
(12.6) Un derivado de cido carboxlico experimentar una reaccin de
sustitucin nucleoflica de acilo, siempre que el grupo recientemente
agregado en el intermediario tetradrico sea una base tan fuerte o
ms fuerte que el grupo que estaba unido al grupo acilo en el
reactante. (12.6) En una reaccin catalizada por cido se dona un
protn al reactivo o reactante. (19.2, 18.2) En una reaccin
catalizada por base se elimina un protn del reactivo o reactante.
(18.2) Los enlaces ms fuertes muestran bandas de absorcin a nmeros
de onda ms grandes. (15.2) Los grupos electroatractores o ms
electronegativos hacen que las seales RNM aparezcan a frecuencias
ms altas (valores de d ms grandes). (15.12).
4. Temas de inters Lo natural contra lo sinttico (1.0) Albert
Einstein (1.2) El diamante y el grafito: sustancias que slo
contienen tomos de carbono (1.8) Agua, un compuesto nico (1.11)
Lluvia cida (2.2) La sangre: una solucin amortiguadora (2.5)
Compuestos malolientes (3.5) Colesterol y enfermedades cardiacas
(3.13) Tratamiento clnico para el colesterol alto (3.13) Feromonas
(4.0) Unas palabras sobre las flechas curvas (4.7) Pesticidas:
naturales y sintticos (4.8) Alquinos de origen natural (5.6) cidos
grasos trans (5.12) Diseo de un polmero (5.16) Reciclaje de
polmeros (5.16) La qumica del etino o el pase hacia adelante?
(5.16) El sueo de Kekul (6.1) Los electrones deslocalizados en el
sentido de la vista (6.6) Luz ultravioleta y bloqueadores solares
(6.10) Antocianinas: una clase de compuestos llenos de color (6.12)
Medicin de la toxicidad (7.0) Esferas de Bucky (7.2) El grupo hemo
y la clorofila (7.3) Porfirina, bilirrubina e ictericia (7.3)
Toxicidad del benceno (7.4) Tiroxina (7.7) Los enantimeros de la
talidomida (8.12) Medicamentos quirales (8.12) Octanaje (9.0)
Combustibles fsiles: fuente de energa con muchos problemas (9.0)
Caf descafeinado y temor al cncer (9.6) Conservadores de alimentos
(9.6) Compuestos de sobrevivencia (10.0) Sangre artificial (10.0)
Adaptacin ambiental (10.3) Por qu carbono en lugar de silicio?
(10.3) Investigacin de compuestos presentes en la naturaleza que
contienen halgenos (10.7) Erradicacin de termitas (10.11)
S-adenosilmetionina: un antidepresivo natural (10.11) Alcohol de
grano y alcohol de madera (11.2) Deshidraciones biolgicas (11.3)
Contenido de alcohol en la sangre (11.4) Alcaloides (11.5)
Anestsicos (11.6) Un antibitico inusual (11.7) Mostaza: un agente
de la guerra qumica (11.8) Antdoto a gas de guerra (11.8)
Benzo[a]pireno y cncer (11.9) Deshollinadores y cncer (11.9) El
descubrimiento de la penicilina (12.4) Dlmatas: no intenten engaar
a la madre naturaleza (12.4) Impulsos nerviosos, parlisis e
insecticidas (12.8) Polmeros biodegradables (12.8) Aspirina (12.9)
Pldora natural para dormir (12.11) Penicilina y resistencia a
frmacos (12.12) Penicilinas de uso clnico (12.12) Polmeros
sintticos (12.13) Suturas absorbibles (12.13) Butanediona: un
compuesto desagradable (13.1) Sntesis de compuestos orgnicos (13.4)
Drogas semisintticas (13.4) Preservacin de especmenes biolgicos
(13.7) Medicamentos anticancergenos (13.8) La sntesis de la
aspirina (14.4) Nikola Tesla (15.8) Formacin de imgenes por
resonancia magntica (15.18) Medicin de los niveles de glucosa
sangunea de los diabticos (16.5) Glucosa/Dextrosa (16.7)
Intolerancia a la lactosa (16.12) Galactosemia (16.12) Por qu el
dentista est en lo correcto (16.13) Control de pulgas (16.13)
Heparina (16.14) Vitamina C (16.14) Ingesta diaria aceptable
(16.16) Protenas y nutricin (17.1) Aminocidos y la enfermedad
(17.2) Un antibitico peptdico (17.2) Encefalinas (17.6) Cabello:
lacio o rizado? (17.6) Hormonas peptdicas (17.6) Estructura
primaria y la evolucin (17.7) Nutrasweet (17.13) Vitamina B1 (18.4)
Vitamina, una amina necesaria para la vida (18.4) Niacina (18.5)
Deficiencia de niacina (18.5) Ataques cardiacos: evaluacin del dao
(18.9) Quimioterapia contra el cncer (18.11) Los primeros
antibiticos (18.11) Demasiado brcoli (18.12) Diferencias en el
metabolismo (19.0) El Premio Nobel (19.2) Fenilcetonuria: un error
congnito del metabolismo (19.6) Alcaptonuria (19.6) Velocidad del
metabolismo basal (19.9) cidos grasos omega (20.1) Olestra: un
producto sin grasa y con sabor (20.3) Las ballenas y su forma de
orientarse por medio del eco (20.3) Fabricacin de jabn (20.4)
Veneno de las serpientes (20.5) El chocolate es un alimento sano?
(20.5) Esclerosis mltiple y la vaina de mielina (20.5) Lipoprotenas
(20.8) La estructura de ADN: Watson, Crick, Franklin y Wilkins
(21.0) Anemia de las clulas falciformes (21.8) Antibiticos que
actan inhibiendo la traduccin (21.8) Huella dactilar del ADN
(21.11) Resistencia a los herbicidas (21.12) Seguridad con los
frmacos (22.4) Medicamentos hurfanos (22.10)
5. 6.941 3 Li 22.989770 11 Na 39.0983 19 K 85.4678 37 Rb
132.90545 55 Cs [223.02] 87 Fr 9.012182 24.3050 12 Mg 40.078 20 Ca
87.62 38 Sr 137.327 56 Ba [226.03] 88 RaRfDbSg Be 4 2 34567891011
13 4A 151617 18 2A 44.955910 21 Sc 47.867 22 Ti 88.90585 39 Y
138.9055 57 *La [227.03] 89 Ac [261.11] 104 50.9415 23 V 51.9961 24
Cr 91.224 40 Zr 92.90638 41 Nb 72 Hf 178.49180.9479 73 Ta 183.84 74
W [262.11] 105 [266.12] 106107108109110111112 54.938049 25 Mn
55.845 26 Fe 95.94 42 Mo [98] 43 Tc 101.07 44 Ru 186.207 75 Re 76
Os 140.116 58 Ce 140.90765 59 Pr 144.24 60 Nd [145] 61 Pm 150.36 62
Sm 232.0381 90 Th 231.03588 91 Pa 238.02891 92 U [237.05] 93 Np
[244.06] 94 Pu 58.933200 27 Co 102.90550 45 Rh 192.217190.23 77 Ir
3B4B5B6B7B8B 39.948 18 Ar 20.1797 10 Ne 4.002602 2 He 36 Kr 131.293
54 Xe [222.02] 86 Rn 35.453 17 Cl 18.998403 9 F 35 Br 126.90447 53
I 85 At 32.065 16 S 15.9994 8 O 34 Se 127.60 52 Te 84 Po 30.973761
15 P 14.0067 7 N 33 As 121.760 51 Sb 83 Bi 28.0855 14 Si 12.0107 6
C 32 Ge 118.710 50 Sn 82 Pb 26.981538 13 Al 10.811 5 B 31 Ga
114.818 49 In 204.3833207.2208.98038[208.98][209.99] 81 Tl 30 Zn
112.411 48 Cd 200.59 80 Hg
63.54665.3969.72372.6474.9216078.9679.90483.80 29 Cu 107.8682 47 Ag
196.96655 79 Au 58.6934 28 Ni 106.42 46 Pd 195.078 78 Pt 173.04 70
Yb 168.93421 69 Tm 167.259 68 Er 164.93032 67 Ho 162.50 66 Dy
158.92534 65 Tb 157.25 64 Gd 151.964 63 Eu 174.967 71 Lu [262.11]
103 Lr [259.10] 102 No [258.10] 101 Md [257.10] 100 Fm [252.08] 99
Es [251.08] 98 Cf [247.07] 97 Bk [247.07] 96 Cm [243.06] 95 Am 1B2B
12 3A 14 5A6A7A 8A BhHsMt *Seriedeloslantnidos Seriesdelosactnidos
Gruposprincipales Metalesdetransicin Gruposprincipales 1 2 3 4 5 6
7 [264.12][272.15][277][271.15][269.13] 1.00794 1 H 1A 1 a
Losencabezadosdearriba(1A,2,etc.)soncomnmenteusadosenEstadosUnidos.Losencabezadosinferiores(1,2,etc.)sonrecomendados
porlaUninInternacionaldeQumicaPurayAplicada,IUPAC.
Losnombresylossmbolosdeloselementosapartirdel110ylossucesivosnohansidodeterminados.
Lasmasasatmicasdeloselementosradioactivosestndeterminadasconbaseenelistopomsimportanteoeldevidamslarga.
Informacinadicionalestdisponibleenhttp://www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/.
Lasntesisdelelemento116fuereportadaenmayode1999porcientficosdeLawrenceBerkeleyNacionalLaboratory.
a 114 [285] 116 [289][268.14] Tablaperidicadeloselementos
6. Fundamentos de Qumica orgnica
7. Fundamentos de Qumica orgnica Paula Yurkanis Bruice
University of California, Santa Barbara TRADUCCIN Vctor Campos
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bibliogrfica YURKANIS BRUICE, PAULA Fundamentos de Qumica orgnica
PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2007 ISBN: 978-970-26-1022-9 rea: Ciencias
Formato: 21 27 cm Pginas: 624 Authorized translation from the
English language edition, entitled Organic Chemistry, 1ST ed. by
Paula Yurkanis Bruice published by Pearson Education, Inc.,
publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright 2006. All rights
reserved. ISBN 0131498584 Traduccin autorizada de la edicin en
idioma ingls, Organic Chemistry por Paula Yurkanis Bruice publicada
por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC.,
Copyright 2006. Todos los derechos reservados. Esta edicin en
espaol es la nica autorizada. Edicin en espaol Editor: Enrique
Quintanar Duarte e-mail: [email protected] Editor de
desarrollo: Felipe Hernndez Carrasco Supervisor de produccin: Jos
D. Hernndez Garduo Edicin en ingls
9. A Meghan, Kenton y Alec, con amor y un inmenso respeto. A
Tom, mi mejor amigo
10. viii Captulo 1 Estructura electrnica y enlaces covalentes 1
Captulo 2 cidos y bases 31 Captulo 3 Introduccin a los compuestos
orgnicos: Nomenclatura, propiedades fsicas y representacin de su
estructura 45 Captulo 4 Alquenos: Estructura, nomenclatura,
estabilidad e introduccin a su reactividad 81 Captulo 5 Reacciones
de alquenos y alquinos: Introduccin a la sntesis multipasos 103
Captulo 6 Electrones deslocalizados y su efecto en la estabilidad,
la reactividad y el pKa: Espectroscopia ultravioleta y visible 137
Captulo 7 Aromaticidad Reacciones del benceno y de bencenos
sustituidos 162 Captulo 8 Ismeros y estereoqumica 191 Captulo 9
Reacciones de los alcanos Radicales 216 Captulo 10 Reacciones de
sustitucin y eliminacin de halogenuros de alquilo 230 Captulo 11
Reacciones de alcoholes, aminas, teres y epxidos 261 Captulo 12
Compuestos carbonlicos I: Sustitucin nucleoflica de acilo 288
Captulo 13 Compuestos carbonlicos II: Reacciones de aldehdos y
cetonas Ms reacciones de derivados de cidos carboxlicos 320 Captulo
14 Compuestos carbonlicos III: Reacciones en el carbono a 344
Captulo 15 Determinacin de las estructuras de los compuestos
orgnicos 365 Captulo 16 Carbohidratos 407 Captulo 17 Aminocidos,
pptidos y protenas 434 Captulo 18 Enzimas, coenzimas y vitaminas
462 Captulo 19 La qumica del metabolismo 482 Captulo 20 Lpidos 500
Captulo 21 Nuclesidos, nucletidos y cidos nucleicos 520 Captulo 22
La qumica orgnica de los frmacos: Descubrimiento y diseo 541
Apndices I Propiedades fsicas de compuestos orgnicos A-1 II Valores
pKa A-8 Respuestas a problemas seleccionados A-10 Glosario G-1
Crditos de fotografa C-1 ndice I-1 Resumen de contenido
11. ix Contenido Prefacio xviii Lo ms destacado de Fundamentos
de Qumica orgnica xxv Acerca de la autora xxviii 1 Estructura
electrnica y enlaces covalentes 1 1.1 Estructura del tomo 2 1.2
Distribucin de los electrones en un tomo 3 1.3 Enlaces inico y
covalente 5 1.4 Representacin de estructura 10 1.5 Orbitales
atmicos 14 1.6 Formacin del enlace covalente 15 1.7 Enlaces en el
metano y el etano: enlaces simples 16 1.8 Enlaces en el etileno: el
doble enlace 18 1.9 Enlaces en el etino: enlace triple 20 1.10
Enlaces con el catin metil, radical metil y anin metil 22 1.11
Enlaces del agua 23 1.12 Enlaces en el amoniaco y en el ion amonio
24 1.13 Enlaces en los halogenuros de hidrgeno 26 1.14 Resumen:
hibridacin de orbitales, longitud de enlaces, fortaleza de enlaces
y ngulos de enlace 27 Resumen 28 Problemas 29 Estrategia para
solucin de problemas 28 Recuadros: Natural y sinttico 2 Albert
Einstein 5 Diamante y grafito: sustancias que contienen slo tomos
de carbono 20 Agua, un compuesto nico 24 2 cidos y bases 31 2.1
Reacciones cido-base 31 2.2 cidos y bases orgnicos; pKa y pH 32 2.3
Efecto de la estructura sobre el pKa 37 2.4 Efecto del pH en la
estructura del compuesto orgnico 39 2.5 Soluciones amortiguadoras
40 2.6 cidos y bases de Lewis 41 Resumen 42 Problemas 43 Estrategia
para solucin de problemas 34, 40 Recuadros: Lluvia cida 33 Sangre:
una solucin amortiguadora 41 3 Introduccin a los compuestos
orgnicos: Nomenclatura, propiedades fsicas y representacin de su
estructura 45 3.1 Nomenclatura de los sustituyentes alquil 47 3.2
Nomenclatura de los alcanos 51 3.3 Nomenclatura de los cicloalcanos
53
12. x Contenido 3.4 Nomenclatura de los halogenuros de alquilo
55 3.5 Clasificacin de los halogenuros de alquilo, alcoholes y
aminas 56 3.6 Estructuras de halogenuros de alquilo, alcoholes,
teres y aminas 57 3.7 Propiedades fsicas de alcanos, halogenuros de
alquilo, alcoholes, teres y aminas 59 3.8 Conformaciones de los
alcanos: rotaciones alrededor del enlace carbono-carbono 66 3.9
Cicloalcanos: tensin de anillo 68 3.10 Conformaciones del
ciclohexano 69 3.11 Conformaciones de ciclohexanos monosustituidos
71 3.12 Conformaciones de ciclohexanos disustituidos 72 3.13
Conformaciones de anillos fundidos 74 Resumen 76 Problemas 77
Estrategia para solucin de problemas 54, 62, 72 Recuadros:
Compuestos malolientes 57 Colesterol y enfermedades cardiacas 75
Tratamiento clnico para el colesterol alto 76 4 Alquenos:
Estructura, nomenclatura, estabilidad e introduccin a su
reactividad 81 4.1 Frmulas moleculares 82 4.2 Nomenclatura de los
alquenos 83 4.3 Estructura de los alquenos 85 4.4 Isomera cis-trans
86 4.5 Sistema de nomenclatura E,Z 88 4.6 Estabilidad relativa de
los alquenos 91 4.7 Mecanismos de reaccin de los alquenos Flechas
curvas 92 4.8 Uso de esquemas de energa de reaccin para describir
el perfil de una reaccin 96 Resumen 99 Problemas 100 Estrategia
para solucin de problemas 91 Recuadros: Feromonas 82 Interconversin
cis-trans en la vista 88 Unas palabras sobre las flechas curvas 95
Pesticidas: naturales y sintticos 99 5 Reacciones de alquenos y
alquinos: Introduccin a la sntesis multipasos 103 5.1 Adicin de un
halogenuro de hidrgeno a un alqueno 104 5.2 Estabilidad de los
carbocationes 105 5.3 Regioselectividad de las reacciones de adicin
electroflica 106 5.4 Adicin de agua a un alqueno 110 5.5 Adicin de
un alcohol a un alqueno 111 5.6 Introduccin a los alquinos 113 5.7
Nomenclatura de los alquinos 113 5.8 Estructura de los alquinos 115
5.9 Propiedades fsicas de los hidrocarburos no saturados 116 5.10
Adicin de un halogenuro de hidrgeno a un alquino 116 5.11 Adicin de
agua a un alquino 117 5.12 Adicin de hidrgeno a alquenos y alquinos
119 5.13 Acidez de un hidrgeno unido a un carbono con hibridacin sp
121 5.14 Sntesis utilizando iones acetiluros 122 5.15 Introduccin a
la sntesis multipasos 123 5.16 Polmeros 125 Resumen 130 Resumen de
reacciones 131 Problemas 132 Estrategia para solucin de problemas
108, 120, 122 Recuadros: Alquinos de origen natural 113 cidos
grasos trans 120 Diseo de un polmero 127 Reciclaje de polmeros 129
La qumica del etino o el pase hacia adelante? 130
13. Contenido xi 6 Electrones deslocalizados y su efecto en la
estabilidad, la reactividad y el pKa: Espectroscopia ultravioleta y
visible 137 6.1 Electrones deslocalizados: estructura del benceno
137 6.2 Enlaces del benceno 139 6.3 Contribuyentes de resonancia y
el hbrido de resonancia 140 6.4 Representacin de los contribuyentes
141 6.5 Prediccin de la estabilidad de los contribuyentes de
resonancia 144 6.6 Estabilizacin por resonancia 145 6.7 Efecto de
los electrones deslocalizados en la estabilidad 146 6.8 Efecto de
los electrones deslocalizados en la naturaleza del producto formado
en una reaccin 148 6.9 Efecto de los electrones deslocalizados en
el pKa 151 6.10 Espectroscopia ultravioleta y visible 153 6.11
Efecto de la conjugacin en lmx 154 6.12 El espectro visible y el
color 155 Resumen 157 Resumen de reacciones 158 Problemas 158
Estrategia para solucin de problemas 147 Recuadros: El sueo de
Kekul 138 Los electrones deslocalizados en el sentido de la vista
145 Luz ultravioleta y bloqueadores solares 154 Antocianinas: una
clase de compuestos llenos de color 157 7 Aromaticidad Reacciones
del benceno y de bencenos sustituidos 162 7.1 Criterios de
aromaticidad 163 7.2 Hidrocarburos aromticos 164 7.3 Compuestos
aromticos heterocclicos 166 7.4 Nomenclatura de bencenos
monosustituidos 169 7.5 Cmo reacciona el benceno 170 7.6 Mecanismo
general de las reacciones de sustitucin electroflica aromtica 171
7.7 Halogenacin del benceno 172 7.8 Nitracin del benceno 174 7.9
Sulfonacin del benceno 174 7.10 Acilacin de Friedel-Crafts del
benceno 175 7.11 Alquilacin de Friedel-Crafts del benceno 175 7.12
Nomenclatura de los bencenos disustituidos 176 7.13 Efecto de los
sustituyentes en la reactividad 177 7.14 Efecto de los
sustituyentes en la orientacin 181 7.15 Efecto de los sustituyentes
en el pKa 185 Resumen 187 Resumen de reacciones 187 Problemas 188
Estrategia para solucin de problemas 184 Recuadros: Medicin de la
toxicidad 163 Esferas de Bucky 165 El grupo hemo y la clorofila 168
Porfirina, bilirrubina e ictericia 169 Toxicidad del benceno 170
Tiroxina 173 8 Ismeros y estereoqumica 191 8.1 Ismeros cis-trans
192 8.2 Quiralidad 192 8.3 Centros asimtricos 193 8.4 Ismeros con
un centro asimtrico 194 8.5 Representacin de enantimeros 195 8.6
Nomenclatura de los enantimeros: sistema de nomenclatura R,S
195
14. xii Contenido 8.7 Actividad ptica 199 8.8 Rotacin especfica
201 8.9 Ismeros con ms de un centro asimtrico 203 8.10 Compuestos
meso 205 8.11 Separacin de enantimeros 207 8.12 Receptores 208 8.13
Estereoqumica de las reacciones 210 8.14 Estereoqumica de las
reacciones con catlisis enzimtica 212 Resumen 212 Problemas 213
Estrategia para solucin de problemas 198, 199, 206 Recuadros: Los
enantimeros de la talidomida 209 Medicamentos quirales 209 9
Reacciones de los alcanos Radicales 216 9.1 La baja reactividad de
los alcanos 217 9.2 Cloracin y bromacin de los alcanos 218 9.3
Factores que determinan la distribucin del producto 220 9.4
Principio de reactividad-selectividad 222 9.5 Estereoqumica de las
reacciones de sustitucin por radicales 224 9.6 Reacciones de
radicales en los sistemas biolgicos 224 9.7 Los radicales y el
ozono de la estratosfera 226 Resumen 228 Resumen de reacciones 228
Problemas 228 Estrategia para solucin de problemas 223 Recuadros:
Octanaje 217 Combustibles fsiles: fuente de energa con muchos
problemas 217 Caf descafeinado y temor al cncer 225 Conservadores
de alimentos 226 10 Reacciones de sustitucin y eliminacin de
halogenuros de alquilo 230 10.1 Cmo reaccionan los halogenuros de
alquilo 231 10.2 El mecanismo de una reaccin SN2 232 10.3 Factores
que afectan las reacciones SN2 235 10.4 El mecanismo de una reaccin
SN1 238 10.5 Factores que afectan las reacciones SN1 241 10.6
Comparacin de las reacciones SN2 y SN1 242 10.7 Reacciones de
eliminacin de halogenuros de alquilo 243 10.8 Productos de las
reacciones de eliminacin 245 10.9 Competencia entre SN2/E2 y SN1/E1
248 10.10 Comparacin entre la sustitucin y la eliminacin 251 10.11
Reactivos biolgicos de metilacin 254 Resumen 255 Resumen de
reacciones 256 Problemas 257 Estrategia para solucin de problemas
249 Recuadros: Compuestos de sobrevivencia 231 Sangre artificial
231 Adaptacin ambiental 238 Por qu carbono en lugar de silicio? 238
Investigacin de compuestos presentes en la naturaleza que contienen
halgenos 245 Erradicacin de termitas 255 S-Adenosilmetionina: un
antidepresivo natural 255 11 Reacciones de alcoholes, aminas, teres
y epxidos 261 11.1 Nomenclatura de alcoholes 261 11.2 Reacciones de
sustitucin de alcoholes 263 11.3 Reacciones de eliminacin de
alcoholes: deshidratacin 265 11.4 Oxidacin de alcoholes 269 11.5
Las aminas no experimentan reacciones de sustitucin o eliminacin
271
15. Contenido xiii 11.6 Nomenclatura de teres 272 11.7
Reacciones de sustitucin de teres 273 11.8 Reacciones de epxidos
275 11.9 xidos areno 280 Resumen 283 Resumen de reacciones 283
Problemas 284 Estrategia para solucin de problemas 281 Recuadros:
Alcohol de grano y alcohol de madera 266 Deshidrataciones biolgicas
268 Contenido de alcohol en la sangre 270 Alcaloides 272 Anestsicos
273 Un antibitico inusual 275 Mostaza: un agente de la guerra
qumica 279 Antdoto a un gas de guerra 279 Benzo[a]pireno y cncer
282 Deshollinadores y cncer 283 12 Compuestos carbonlicos I:
Sustitucin nucleoflica de acilo 288 12.1 Nomenclatura 289 12.2
Estructuras de cidos carboxlicos y derivados de cidos carboxlicos
292 12.3 Propiedades fsicas de los compuestos carbonlicos 293 12.4
cidos carboxlicos y derivados de cido carboxlico que se presentan
en la naturaleza 294 12.5 Cmo reaccionan los compuestos carbonlicos
clase I 296 12.6 Reactividades relativas de cidos carboxlicos y
derivados de cido carboxlico 297 12.7 Reacciones de cloruros de
acilo 299 12.8 Reacciones de steres 301 12.9 Hidrlisis de ster
catalizada por cido 303 12.10 Reacciones de cidos carboxlicos 307
12.11 Reacciones de amidas 309 12.12 Hidrlisis de amidas
catalizadas por cido 310 12.13 Sntesis de derivados de cido
carboxlico 312 12.14 Nitrilos 314 Resumen 315 Resumen de reacciones
315 Problemas 316 Estrategia para solucin de problemas 297
Recuadros: El descubrimiento de la penicilina 295 Dlmatas: no
intenten engaar a la madre naturaleza 295 Impulsos nerviosos,
parlisis e insecticidas 302 Polmeros biodegradables 302 Aspirina
306 Pldora natural para dormir 310 Penicilina y resistencia a
frmacos 311 Penicilinas de uso clnico 311 Polmeros sintticos 313
Suturas absorbibles 314 13 Compuestos carbonlicos II: Reacciones de
aldehdos y cetonas Ms reacciones de derivados de cidos carboxlicos
320 13.1 Nomenclatura 321 13.2 Reactividades relativas de los
compuestos carbonlicos 323 13.3 Cmo reaccionan aldehdos y cetonas
324 13.4 Reacciones de compuestos carbonlicos con el reactivo de
Grignard 324 13.5 Reacciones de compuestos carbonlicos con el ion
hidruro 329 13.6 Reacciones de aldehdos y cetonas con aminas 331
13.7 Reacciones de aldehdos y cetonas con oxgeno nucleoflico 334
13.8 Adicin nucleoflica a compuestos carbonlicos a,b-insaturados
337 13.9 Adiciones catalizadas por enzima a compuestos carbonlicos
a,b-insaturados 338 Resumen 338 Resumen de reacciones 339 Problemas
341 Estrategia para solucin de problemas 328 Recuadros:
Butanediona: un compuesto desagradable 323 Sntesis de compuestos
orgnicos 328 Drogas semisintticas 329 Preservacin de especmenes
biolgicos 335 Medicamentos anticancergenos 338
16. xiv Contenido 14 Compuestos carbonlicos III: Reacciones en
el carbono a 344 14.1 Acidez de hidrgenos a 344 14.2 Tautmeros
ceto-enol 347 14.3 Enolizacin 348 14.4 Alquilacin de iones enolato
349 14.5 Adicin aldlica 350 14.6 Deshidratacin de productos de
adicin de aldol 351 14.7 La condensacin Claisen 352 14.8
Descarboxilacin de 3-cidos oxocarboxlicos 354 14.9 Sntesis del ster
malnico: sntesis de cidos carboxlicos 355 14.10 Sntesis de ster
acetoactico: sntesis de metilcetonas 356 14.11 Reacciones en el
carbono a en sistemas biolgicos 358 Resumen 361 Resumen de
reacciones 361 Problemas 362 Estrategia para solucin de problemas
347 Recuadros: La sntesis de la aspirina 350 15 Determinacin de las
estructuras de los compuestos orgnicos 365 15.1 Espectroscopia y
espectro electromagntico 366 15.2 Espectroscopia infrarroja 367
15.3 Bandas de absorcin infrarroja caractersticas 369 15.4 La
intensidad y forma de las bandas de absorcin 371 15.5 Bandas de
absorcin CH 372 15.6 Ausencia de bandas de absorcin 374 15.7
Identificacin de espectros infrarrojos 374 15.8 Espectroscopia RMN
376 15.9 Apantallamiento o proteccin 377 15.10 El nmero de seales
en el espectro RMN 1 H 378 15.11 Desplazamientos qumicos 379 15.12
Posiciones relativas de seales RMN 1 H 381 15.13 Valores
caractersticos de desplazamientos qumicos 382 15.14 Integracin de
seales RMN 384 15.15 Desdoblamiento de las seales 386 15.16 Ms
ejemplos de espectros RMN 1 H 388 15.17 Constantes de acoplamiento
390 15.18 Espectroscopia RMN 13 C 392 Resumen 397 Problemas 397
Estrategia para solucin de problemas 370, 391, 395 Recuadros:
Nikola Tesla (1856-1943) 377 Formacin de imgenes por resonancia
magntica 396 16 Carbohidratos 407 16.1 Clasificacin de
carbohidratos 408 16.2 Configuraciones D y L 409 16.3
Configuraciones de aldosas 410 16.4 Configuraciones de cetosas 412
16.5 Reacciones oxidacin-reduccin de monosacridos 412 16.6
Elongacin de cadena: la sntesis Kiliani-Fischer 414 16.7
Estereoqumica de la glucosa: la prueba de Fischer 415 16.8
Estructura cclica de monosacridos: formacin hemiacetal 417 16.9
Estabilidad de la glucosa 419 16.10 Formacin de glicsidos 420
17. Contenido xv 16.11 Azcares reductores y no reductores 421
16.12 Disacridos 422 16.13 Polisacridos 424 16.14 Algunos derivados
de carbohidratos que se encuentran en la naturaleza 427 16.15
Carbohidratos en las superficies celulares 429 16.16 Edulcorantes
sintticos 430 Resumen 431 Resumen de reacciones 432 Problemas 432
Recuadros: Medicin de los niveles de glucosa sangunea de los
diabticos 414 Glucosa/Dextrosa 417 Intolerancia a la lactosa 423
Galactosemia 424 Por qu el dentista est en lo correcto 425 Control
de pulgas 427 Heparina 428 Vitamina C 428 Ingesta diaria aceptable
431 17 Aminocidos, pptidos y protenas 434 17.1 Clasificacin y
nomenclatura de los aminocidos 435 17.2 Configuracin de los
aminocidos 438 17.3 Propiedades cido-base de los aminocidos 439
17.4 El punto isoelctrico 441 17.5 Separacin de los aminocidos 442
17.6 Enlaces peptdicos y enlaces disulfuro 444 17.7 Estructura de
las protenas 448 17.8 Determinacin de la estructura primaria de un
pptido o de una protena 448 17.9 Estructura secundaria de las
protenas 452 17.10 Estructura terciaria de las protenas 454 17.11
Estructura cuaternaria de las protenas 456 17.12 Desnaturalizacin
de las protenas 456 17.13 Estrategia de la sntesis del enlace
peptdico: proteccin-N y activacin-C 456 Resumen 459 Problemas 459
Estrategia para solucin de problemas 449 Recuadros: Protenas y
nutricin 438 Aminocidos y la enfermedad 438 Un antibitico peptdico
439 Ablandadores de agua: ejemplos de cromatografa por intercambio
catinico 444 Encefalinas 446 Cabello: lacio o rizado? 447 Hormonas
peptdicas 447 Estructura primaria y evolucin 448 Nutrasweet 459 18
Enzimas, coenzimas y vitaminas 462 18.1 Reacciones que se catalizan
por enzimas 462 18.2 Mecanismo de la glucosa-6-fosfato isomerasa
463 18.3 Mecanismo de la aldolasa 465 18.4 Coenzimas y vitaminas
466 18.5 Niacina: la vitamina necesaria para muchas reacciones de
oxidacin-reduccin 467 18.6 Vitamina B2 470 18.7 Vitamina B1 471
18.8 Vitamina H 472 18.9 Vitamina B6 474 18.10 Vitamina B12 475
18.11 cido flico 476 18.12 Vitamina K 478 Resumen 479 Problemas 480
Estrategia para solucin de problemas 473 Recuadros: Vitamina B1 467
Vitamina una amina necesaria para la vida 467 Niacina 468
Deficiencia de niacina 470 Ataques cardiacos: evaluacin del dao 474
Quimioterapia contra el cncer 477 Los primeros antibiticos 478
Demasiado brcoli 479
18. xvi Contenido 19 La qumica del metabolismo 482 19.1
Digestin 483 19.2 ATP (trifosfato de adenosina) 484 19.3
Catabolismo de grasas 486 19.4 Catabolismo de carbohidratos 488
19.5 El destino del piruvato 491 19.6 Catabolismo de protenas 492
19.7 El ciclo del cido ctrico 494 19.8 Fosforilacin oxidativa 497
19.9 Anabolismo 497 Resumen 497 Problemas 498 Estrategia para
solucin de problemas 491 Recuadros: Diferencias en el metabolismo
482 El premio Nobel 485 Fenilcetonuria: un error congnito del
metabolismo 493 Alcaptonuria 493 Velocidad del metabolismo basal
497 20 Lpidos 500 20.1 cidos grasos 501 20.2 Ceras 503 20.3 Grasas
y aceites 503 20.4 Jabones, detergentes y micelas 507 20.5
Fosfolpidos 509 20.6 Terpenos 512 20.7 Vitaminas A y D 514 20.8
Esteroides 515 20.9 Esteroides sintticos 517 Resumen 518 Problemas
518 Recuadros: cidos grasos Omega 502 Olestra: un producto sin
grasa y con sabor 506 Las ballenas y su forma de orientarse por
medio del eco 506 Fabricacin de jabn 508 Veneno de las serpientes
510 El chocolate es un alimento sano? 511 Esclerosis mltiple y la
vaina de mielina 511 Lipoprotenas 517 21 Nuclesidos, nucletidos y
cidos nucleicos 520 21.1 Nuclesidos y nucletidos 520 21.2 cidos
nucleicos 524 21.3 El ADN es estable, el ARN se divide con
facilidad 526 21.4 Biosntesis del ADN: replicacin 527 21.5 El ADN y
la herencia 528 21.6 Biosntesis del ARN: transcripcin 528 21.7 ARN
529 21.8 Biosntesis de protenas: traduccin 530 21.9 Por qu el ADN
contiene timina en lugar de uracilo 533 21.10 Cmo determinar la
secuencia de las bases del ADN 534 21.11 Reaccin en cadena de la
polimerasa (PCR, por sus siglas en ingls) 536 21.12 Ingeniera
gentica 537 Resumen 538 Problemas 539 Recuadros: La estructura del
ADN: Watson, Crick, Franklin y Wilkins 521 Anemia de las clulas
falciformes 533 Antibiticos que actan inhibiendo la traduccin 533
Huella dactilar del ADN 537 Resistencia a los herbicidas 538
19. Contenido xvii 22 La qumica orgnica de los frmacos:
Descubrimiento y diseo 541 22.1 Nombres de los medicamentos 544
22.2 Compuestos lderes 544 22.3 Modificacin molecular 545 22.4
Investigacin aleatoria 547 22.5 La casualidad en el desarrollo de
frmacos 549 22.6 Receptores 550 22.7 Resistencia a los frmacos 553
22.8 Modelacin molecular 554 22.9 Frmacos antivirales 555 22.10
Economa de los medicamentos Reglamentacin gubernamental (en EU) 555
Resumen 556 Problemas 556 Recuadros: Seguridad con los frmacos 548
Medicamentos hurfanos 556 Apndices A1 I Propiedades fsicas de
compuestos orgnicos A-1 II Valores pKa A-8 Respuestas a problemas
seleccionados A-10 Glosario G-1 Crditos de fotografa C-1 ndice
I-1
20. xviii Prefacio Al instructor El principio rector al
escribir este libro fue elaborar un texto que permitiera a los
estudiantes ver la qumica orgnica como una ciencia emocionante y
comprender por qu es importante. No deben creer que el estudio de
la qumica orgnica implica solamente memorizar molculas y
reacciones.As, la obra gira en torno a las caractersticas comunes y
los conceptos unificadores, y hace hincapi en los principios que se
pueden aplicar una y otra vez. Deseo que los estudian- tes aprendan
cmo aplicar lo que han aprendido a un nuevo contexto, razonando a
su manera hasta encontrar una solucin, en vez de aprender de
memoria una gran cantidad de hechos. Espero que, a medida que los
estudiantes avancen en el estudio de la qumica orgnica, vean que es
un tema que se desdobla y crece, y que les permite utilizar lo
aprendido al prin- cipio del curso para pronosticar lo que sigue.
Tambin deseo que observen que la qumica orgnica forma parte
integral de la biologa y de la vida cotidiana. Por lo anterior, se
inclu- yen alrededor de 100 cuadros informativos dispersos a lo
largo de esta obra. Dichos cua- dros estn diseados para mostrar al
alumno la relevancia de la qumica orgnica para la medicina (como en
las suturas absorbibles, el colesterol y las enfermedades
cardiacas, o la sangre artificial); en la agricultura (como los
herbicidas resistentes, la lluvia cida, los pesticidas: naturales y
sintticos); en la nutricin (como las grasas trans, tasa metablica
basal, cidos grasos omega), y en la vida que compartimos en este
planeta (como combus- tibles fsiles, medidas de toxicidad, polmeros
biodegradables). Entre tantas opciones, fue difcil decidir qu era
lo esencial para este tipo de estudian- tes. Al escribir el libro,
tales selecciones se tomaron teniendo en mente que: los estudiantes
deberan comprender cmo y por qu los compuestos orgnicos se
reaccionan como lo ha- cen; experimentar el regocijo y el reto de
disear sntesis simples, y aprender en los prime- ros captulos las
reacciones que encontrarn otra vez en los captulos posteriores que
se concentran en temas biorgnicos. Al escribir el captulo sobre
espectroscopia, no quise que los estudiantes se vieran abrumados
por un tema que quiz nunca vean de nuevo en su vi- da, sino que
disfruten poder interpretar algunos espectros simples. Espero que
sus estudiantes disfruten esta obra. Siempre estoy ansiosa de
escuchar sus comentarios, los positivos son ms estimulantes, pero
los crticos son ms tiles. Caractersticas pedaggicas Problemas,
problemas resueltos y estrategias para solucin de problemas Este
libro contiene infinidad de problemas. Los problemas de cada
captulo son principal- mente ejercicios de prctica; al final de la
mayora de las secciones se encuentran uno o va- rios de stos.
Dichos problemas permiten que los estudiantes se autoevalen con
respecto al material recin estudiado, antes de pasar a la siguiente
seccin. Las soluciones a los pro- blemas seleccionados se explican
a detalle para brindar una mejor comprensin de la manera de
resolverlos. La mayora de captulos tambin contienen al menos una
Estrategia para so- lucin de problemas, que ensea a los alumnos cmo
abordar ciertas clases de problemas. Cada Estrategia para solucin
de problemas va seguida por un ejercicio que brinda al alum- no la
oportunidad de emplear la tcnica recin aprendida. Las respuestas a
los problemas marcados con rombos se encuentran al final del libro,
de manera que el alumno pueda poner a prueba de inmediato su
aprendizaje.
21. Prefacio xix La dificultad de los problemas al final del
captulo vara. Los del principio son proble- mas de ejercicio que
contienen material de todo el captulo. Estos problemas significan
un reto mayor para el estudiante, pues le exigen pensar en trminos
de todo el material del ca- ptulo en vez de tomarlo slo de
secciones individuales. A medida que avanzan los alum- nos, los
problemas se vuelven ms complicados, muchas veces reforzando
conceptos estudiados en los captulos previos. El efecto neto
consiste en construir de manera progre- siva la capacidad y
confianza para resolver problemas. Notas al margen y material en
cuadros para enganchar al estudiante A lo largo del texto aparecen
notas al margen y bocetos biogrficos. Las notas al margen recuerdan
los principios ms importantes y condensan los puntos cruciales para
facilitar su repaso. Los bocetos biogrficos permiten que los
estudiantes aprecien parte de la histo- ria de la qumica y a las
personas que contribuyeron en dicha historia. Con la conviccin de
que el aprendizaje debe ser entretenido, en los cuadros informati-
vos estratgicamente distribuidos he incluido material que incluye
misterios colaterales: por ejemplo, se explica por qu los dlmatas
son los nicos mamferos que evacuan cido rico; por qu la vida se
basa en el carbono y no en el silicio; cmo ha aprendido un mi-
croorganismo a usar desperdicio industrial como fuente de carbono,
y por qu la s-adeno- sil metionina es un producto que se exhibe de
manera destacada en tiendas naturistas. Resmenes y globos de dilogo
de ayuda para el estudiante Cada captulo finaliza con un resumen
que ayuda a que los estudiantes recapitulen los puntos clave. Los
captulos que incluyen reacciones terminan con un Resumen de reac-
ciones. A lo largo del captulo se encuentran ilustraciones con
globos de dilogo que ayu- dan al alumno a concentrarse en los
puntos que se analizan. Programa de arte: numerosas estructuras
tridimensionales, generadas por computadora En el texto hay
estructuras de energa minimizadas tridimensionales, que muestran un
es- quema de las formas tridimensionales de las molculas orgnicas.
Se utilizan colores para resaltar y organizar la informacin, no
simplemente para mostrarlas. Trat de hacer que los colores fuesen
congruentes (por ejemplo, las flechas del mecanismo son siempre
rojas), pero no hay necesidad de que los alumnos se aprendan la
paleta de colores. Sitio Web con GradeTracker Los iconos www de los
mrgenes identifican molculas tridimensionales, videos y anima-
ciones interactivas que se encuentran en el sitio Web Companion
(http://www.pearson- educacion.net/bruice), las cuales resultan
relevantes para el material que se estudia. Cada captulo tiene
ejercicios y cuestionarios de prctica en el sitio Web. Aunque nunca
fui ad- miradora de este tipo de cuestionarios, la calidad de las
preguntas ha cambiado mi forma de pensar. Con GradeTracker, los
estudiantes pueden abordar los problemas y dar segui- miento a su
progreso a lo largo del semestre. Los instructores pueden tomar
estas califica- ciones en cualquier momento del semestre. La lista
de recursos Para los instructores Centro de recursos para el
instructor en CD/DVD (0-13-149861-4) Este recurso para im- partir
clases le brinda una coleccin de recursos totalmente explorable e
integrada, que le ayuda a utilizar de manera eficiente su tiempo de
preparacin de clases, as como mejorar sus presentaciones en clase y
actividades de evaluacin. Este recurso contiene todas las fi-
22. xx Prefacio guras del texto, incluyendo tablas, en los
formatos JPEG, PDF y PowerPoint; dos presen- taciones de PowerPoint
reconstruidas, y todos los objetos interactivos y dinmicos del si-
tio Web Companion. Este CD tambin contiene una herramienta de
bsqueda que le permite encontrar los recursos pertinentes por medio
de trminos clave, objetivos de aprendizaje, nmero de figura y tipo
de recurso. Este juego de CD/DVD adems tiene el software Test- Gen
para generar exmenes y una versin de Test Item File (archivo de
reactivos) que les permite a los profesores crear y confeccionar
exmenes a la medida de sus necesidades o crear cuestionarios en
lnea para entrega en WebCT, Blackboard o CourseCompass.
23. Prefacio xxi Agradecimientos Estoy muy agradecida con los
siguientes revisores, quienes hicieron de este libro una rea-
lidad. No es posible exagerar el valor de su trabajo. Revisores del
manuscrito Ardeshir Azadnia, Michigan State University Debbie
Beard, Mississippi State University J. Phillip Bowen, University of
North Carolina-Greensboro Tim Burch, Milwaukee Area Technical
College Dana Chatellier, University of Delaware Michelle
Chatellier, University of Delaware Long Chiang, University of
Massachusetts-Lowell Jan Dekker, Reedley College Olga
Dolgounitcheva, Kansas State University John Droske, University of
Wisconsin-Stevens Point Eric Enholm, University of Florida Gregory
Friestad, University of Vermont Wesley Fritz, College of Dupage
Robert Gooden, Southern University Michael Groziak, California
State University-Hayward Steve Holmgren, Montana State University
Robert Hudson, University of Western Ontario Richard Johnson,
University of New Hampshire Alan Kennan, Colorado State University
Spencer Knapp, Rutgers University Mike Nuckols, North Carolina
State University Ed Parish, Auburn University Mark W. Peczuh,
University of Connecticut Suzanne Purrington, North Carolina State
University Charles Rose, University of Nevada-Reno Preet Saluja,
Triton College Joseph Sloop, United States Military Academy Robert
Swindell, University of Arkansas Amar Tung, Lincoln University
Kraig Wheeler, Delaware State University Randy Winchester, Grand
Valley State University Mark Workentin, University of Western
Ontario Encargados del grupo de enfoque Ardeshir Azadina, Michigan
State University Gregory L. Baker, Michigan State University Jay
Brown, Southwest Minnesota State University Jerry Easdon, College
of Ozarks Nancy Gardner, California State University-Long Beach
Cyril Parkanyi, Florida Atlantic University Bob Swindell,
University of Arkansas Kathleen Trahanovsky, Iowa State University
Correctora Susan Schelble, University of Colorado-Denver Mi ms
profundo agradecimiento a la editora, Nicole Folchetti, quien
siempre estuvo lista para realizar todo lo necesario para hacer
este libro lo mejor posible. Su talento crea- tivo es
extraordinario. Tambin quiero agradecer a las dems talentosas y
dedicadas perso- nas de Prentice Hall que desempearon un importante
papel en el desarrollo de esta obra. Kathleen Schiaparelli, editora
ejecutiva en jefe, que se encarg de mantener el proyecto en
24. xxii Prefacio curso y resolvi un gran nmero de detalles
crticos; Steve Sartori, gerente ejecutivo de co- mercializacin,
quien atrajo la atencin de la comunidad global de instructores de
qumica orgnica a esta obra; Timothy Murphy, asistente editorial,
que arm un destacado grupo de revisores para el manuscrito y atendi
docenas de cosas a la vez; Kristen Kaiser, gerente de proyecto,
quien produjo los complementos; Margaret Trombley, Nicole Jackson y
Ka- ren Bosch que desarrollaron y administraron el programa de
medios; Maureen Eide, edito- ra de arte, y Joseph Christiana
disearon una portada notable; Denise Keller produjo las imgenes
nuevas, y Dave Theisen, director nacional de ventas, ha sido, como
siempre, un campen, un apoyo y amigo en el campo. Agradezco tambin
a la encargada de la forma- cin, Rosaria Cassinese, quien me
mantuvo en el rumbo, con ms paciencia de la que me- rezco, durante
el proceso de produccin. En particular, quiero agradecer a los
muchos maravillosos y talentosos estudiantes que me han enseado ms
de lo que nunca imaginaron.Y quiero agradecer a mis hijos, de quie-
nes ms he aprendido. Para hacer este libro tan fcil de usar como
sea posible, mucho agradecer los comenta- rios que me sean tiles
para alcanzar esta meta en ediciones futuras. Si usted encuentra
secciones que se debieran depurar o ampliar, por favor hgamelo
saber. Finalmente, agra- dezco enormemente a Susan Schelbel de la
University of Colorado, Denver, quien examin cuidadosamente el
libro en busca de errores. Cualquiera que perdure es mi
responsabili- dad; si encuentra alguno, por favor enveme un correo
electrnico a fin de corregirlo en fu- turas impresiones. Paula
Yurkanis Bruice University of California, Santa Barbara
[email protected]
25. Prefacio xxiii Para el estudiante Bienvenido a la qumica
orgnica! Usted est a punto de emprender un emocionante viaje. Este
libro se escribi teniendo en mente a educandos como usted, los que
estudian el tema por primera vez. La meta central del libro es
hacer su viaje estimulante y agradable ayudn- dolo a comprender los
principios rectores del tema y aplicndolos a su campo de estudio.
Debe comenzar por familiarizarse con el libro. El material incluido
en las pastas contiene informacin que quiz quiera consultar a lo
largo del curso. Los resmenes de captulo y de reacciones al final
de cada captulo son herramientas tiles para recordar lo previamente
es- tudiado; tambin representan una excelente lista de comprobacin
mental de lo que usted debera conocer al trmino del captulo. El
glosario dispuesto al final del libro puede resul- tar un apoyo de
estudio muy til. Aproveche todas estas caractersticas! Los apndices
se escribieron para consolidar las categoras de informacin tiles,
cercirese de ver qu clase de informacin se brinda en ellos. Los
modelos moleculares y los mapas de potencial elec- trosttico, que
se encuentran en todo el libro, tienen por objetivo permitirle
apreciar el as- pecto de las molculas en tres dimensiones y cmo se
distribuye la carga en ellas. Considere a las notas al margen como
una oportunidad de que la autora le proporcione recordatorios
personales y haga hincapi en los puntos importantes. Asegrese de
leerlos. Resuelva todos los problemas de cada captulo. Son
problemas de prctica para verifi- car si ya domina el material.
Algunos estn resueltos en el cuerpo del texto. Otros, marca- dos
con un rombo, tienen su respectiva respuesta al final del libro. No
pase por alto las Estrategias para solucin de problemas colocadas
en diferentes partes del texto, pues le brindan sugerencias
prcticas sobre la mejor manera de abordar tipos importantes de pro-
blemas. Resuelva tantos problemas de fin de captulo como le sea
posible. Cuantos ms resuelva, se sentir ms seguro en el tema y
estar mejor preparado para abordar el material de los ca- ptulos
subsecuentes. Lo ms importante que debe recordar en la qumica
orgnica es NO SEATRASE! La qu- mica orgnica se compone de una buena
cantidad de sencillos pasos muy fciles de dominar uno a uno. Pero
el tema puede volverse abrumador rpidamente si no se mantiene el
paso. Antes de que se delinearan muchas de sus teoras y mecanismos,
la qumica orgnica era una disciplina que slo se llegaba a dominar a
travs de la memorizacin. Por fortuna, ya no es as. Usted encontrar
muchos elementos comunes que le permitirn utilizar lo aprendido en
una situacin para predecir lo que se presentar en otras. De tal
modo, cuan- do lea este libro y estudie sus apuntes, trate siempre
de comprender por qu ocurre cada cosa. Si comprende las razones
subyacentes a la reactividad, puede pronosticar la mayora de
reacciones. Emprender la clase con la idea errnea de que se deben
memorizar centena- res de reacciones sin relacin entre s podra ser
su ruina. Sencillamente, es demasiado material para memorizarlo! Es
el razonamiento, y no la memoria, lo que establece los ci- mientos
necesarios sobre los que se apoyar el material subsiguiente. No
obstante, de vez en cuando ser necesario memorizar algunas cosas.
Es necesario aprenderse ciertas reglas fundamentales, y tendr que
memorizar los nombres comunes de varios compuestos org- nicos. Pero
esto ltimo no debe ser problema, despus de todo, sus amigos tienen
un nom- bre que usted ha podido aprenderse. Buena suerte con sus
estudios! Espero que disfrute la qumica orgnica y aprenda a
apreciar la lgica de la disciplina. Si tiene algn comentario acerca
de esta obra o alguna su- gerencia sobre la manera de mejorarlo
para los estudiantes que le seguirn, quisiera que me lo haga saber.
Paula Yurkanis Bruice [email protected]
26. Para el estudiante Problemas resueltos y ejercicios de
prctica A lo largo del texto se le ejercita en los pasos necesarios
para resolver un tipo de problema en particular. Las Estrategias
para solucin de problemas de cada captulo demuestran cmo abordar
una variedad de problemas, organizar sus pensamientos y mejorar su
capacidad para resolverlos. Cada estrategia va seguida por un
ejercicio que le permite practicar de inmediato la estrategia recin
analizada. La primera edicin de Fundamentos de Qumica orgnica, de
Paula Yurkanis Bruice, convierte la qumica orgnica en una ciencia
emocionante y especialmente importante para los estudiantes que
toman este curso. Escrito en el estilo propio de la autora, que
posee una claridad de explicacin sobresaliente, Fundamentos de
Qumica orgnica se concentra en el objeti- vo principal del texto:
animar a los estudiantes a que entiendan los porqus de la qumica
orgnica. Enfoque Los Problemas de fin de captulo se enfocan en los
principios predominantes y conceptos que suelen resultar
especialmente complicados para los estudiantes. Estos problemas
evolucionan desde los problemas de prctica que incorporan el
material aprendido en las secciones individuales hacia otros ms
complicados, que lo obligarn a pensar en trminos del material
estudiado en todo el captulo. Un fuerte sabor bioorgnico que
muestra cmo la qumica orgnica forma parte integral de la biologa y
tambin de nuestra cotidianidad. Hay ms de 100 recuadros de inters
especial que exponen la relevancia de esta ciencia para los campos
de la medicina, agricultura, nutricin y la vida que compartimos en
este planeta. El fuerte sabor bioorgnico de todo el texto incita a
los estudiantes a reconocer que la qumica orgnica y la bioqumica no
son entidades disociadas, sino dos partes del continuo del
conocimiento. Este material se encuentra en los cuadros de inters
especial, secciones especficas de captulo y captulos que enfocan la
atencin en temas bioorgnicos. En la parte interna de la pasta
delantera se encuentra una lista completa de los cuadros de inters
especial. ESTRATEGIA PARA SOLUCIN DE PROBLEMAS La (S)-alanina es un
aminocido de origen natural. Trace su representacin empleando una
frmula de perspectiva. Primero se dibujan los enlaces con respecto
al centro asimtrico. Cabe recordar que los dos en- laces en el
plano del papel deben ser adyacentes. Se coloca al grupo con menor
prioridad unido mediante una lnea triangular punteada. Se colo- ca
al grupo con mayor prioridad unido mediante cualquiera de los
enlaces restantes. Como se pide representar al enantimero S, se
traza una flecha en sentido opuesto al de las ma- necillas del
reloj, desde el grupo con mayor prioridad hacia el siguiente enlace
libre; y ah se co- loca al siguiente grupo con mayor prioridad. Se
coloca al sustituyente restante en el ltimo enlace disponible.
Ahora pase al problema 13. C NH3 CH3 H OOC + C NH3 H OOC + C NH3 H
+ C CH3CHCOO + NH3 alanina RESISTENCIA A LOS HERBICIDAS El
glifosato, el ingrediente activo de un muy conoci- do herbicida de
nombre Roundup, extermina la ma- leza al inhibir una enzima que las
plantas necesitan para sintetizar fenilalanina y triptofano,
aminocidos necesarios para su creci- miento. Se estn realizando
estudios con el maz y el algodn que han sido sometidos a la
ingeniera gentica para que toleren dicho herbicida. Entonces,
cuando los campos de cultivo se rocan con glifosato, se extermina
la maleza pero no las cosechas. A stas se les ha incorporado un gen
que produce una enzima que hace inacti- vo al glifosato al
acetilarlo con acetil-CoA. Maz sometido a la ingeniera gentica para
que resista el herbicida glifosato al acetilarlo. glifosato un
herbicida O O O C P enzima NH O O N-acetilglifosato inofensivo para
las plantas O O O C O C PN O O + O C CH3 + CoASH CH3 SCoA Prctica y
ayuda para la solucin de problemas PROBLEMA 5 RESUELTO Con los
valores pKa de los cidos conjugados de los grupos salientes (el pKa
de HBr es 29; el pKa de H2O es 15.7; el pKa de H3O1 es 21.7),
explique la diferencia en reactividad de: a) y b) y SOLUCIN A 5a El
cido conjugado del grupo saliente de CH3Br es HBr; su pKa es 5 29;
el cido conjugado del grupo saliente de CH3OH es H2O; su pKa es 5
15.5. Puesto que HBr es un cido mucho ms fuerte que H2O, Br2 es una
base mucho ms dbil que HO2 . (Recuerde que mientras ms fuerte sea
el cido, ms dbil es su base conjugada). Por tanto, Br2 es mejor
grupo saliente que el HO2 , lo que hace que CH3Br sea mucho ms
reactivo que CH3OH. CH3OHCH3 + OH2CH3OHCH3Br xxiv
27. Pedagoga mejorada LOMSDESTACADO Resmenes finales de captulo
Repasan los principales conceptos del captulo de una manera concisa
y descriptiva. Resumen de reacciones Estas secciones registran,
para su repaso, las reacciones incluidas en el captulo. Las
referencias cruzadas facilitan la localizacin de las secciones que
abarcan tipos de reacciones especficos. Las notas al margen hacen
hincapi en los principios importantes y recapitulan los puntos
clave para facilitar el repaso y recordar a los estudiantes los
principios ms importantes y ayudarles a captar los conceptos en el
texto. Resumen Un hidrgeno unido a un carbono a de un aldehdo,
cetona o ster es suficientemente cido como para ser removido por
una base fuerte, porque la base que se forma cuando el protn se
remueve se estabiliza por deslocalizacin de su carga negativa en el
oxgeno. Los aldehdos y cetonas (pKa 5 16-20) son ms cidos que los
steres (pKa , 25). Las b-dicetonas (pKa , 9) y los b-ceto steres
(pKa , 11) son incluso ms cidos. La in- terconversin de los
tautmeros ceto y enol se llama tauto- merizacin o enolizacin; se
puede catalizar mediante cidos b P l l l t t t t bl L aldlica se
puede deshidratar para dar un producto de conden- sacin aldlica. En
una condensacin Claisen, el in enolato de un ster ataca al carbono
del carbonilo de una segunda mo- lcula de ster, lo que elimina un
grupo 2 OR para formar un b-ceto ster. Los cidos carboxlicos con un
grupo carbonilo en la posi- cin 3 se descarboxilan cuando se
calientan. Los cidos car- boxlicos se pueden preparar mediante una
sntesis ster malnica; el carbono a del dister se alquila y el ster
malni- co a sustituido experimenta hidrlisis catalizada por cido y
Los esbozos biogrficos le permiten apreciar la historia de la
qumica y a las personas que contribuyeron a sta. y q q ( g )
cuentan con sustituyentes en las posiciones apropiadas, por lo que
no pueden unirse con eficiencia a la enzima. Por ejemplo, la
fumarasa cataliza la adicin del agua al fumarato (el ismero trans),
pero no al maleato (el ismero cis). El comportamiento de una enzima
es como el de un guante derecho, que slo queda bien en la mano
derecha: forma nicamente un estereoismero y reacciona con slo un
es- tereoismero. PROBLEMA 27 a) Cul sera el producto de la reaccin
de fumarato y H2O si se utilizara como catalizador al H+ en lugar
de fumarasa? b) Cul sera el producto de la reaccin de maleato y H2O
si se utilizara como catalizador al H1 en lugar de fumarasa? H2O+
OOC COO H fumarasa no hay reaccin H C C maleato Una molcula aquiral
reacciona de manera idntica con ambos enantimeros. Un calcetn, que
es aquiral, queda bien en cualquier pie. Una molcula quiral
reacciona de distinta manera con cada enantimero. Un zapato que es
quiral, queda bien slo en uno de los pies. OCH3 mecanismo para la
conversin de un cloruro de acilo en un ster CH3OH CH3 CH3+ OCH3 Cl
+C H H + Cl O OCH3 C Cl O ClCH3 C O CH3 C O + se expulsa la base ms
dbil disociacin de protn base ms dbil formacin de intermediario
tetradrico Mecanismos precisos y completos Este texto incluye
centenares de mecanismos de reaccin completos, integrados a la
prosa del texto, con el fin de inducir su verdadera comprensin y no
slo su memorizacin. Mecanismos de reaccin Emil Fischer (1852-1919)
naci en una villa cerca de Colonia, Alemania. Se convirti en qumico
contra los deseos de su padre, un exitoso comerciante quien quera
que ingresara al negocio familiar. Fue profesor de qumica en las
Universidades de Erlangen, Wrzburg y Berln. En 1902 recibi el
Premio Nobel en Qumica por su trabajo acerca de los azcares.
Durante la Primera Guerra Mundial organiz la produccin qumica
alemana. Dos de sus tres hijos murieron en dicha guerra. Resumen de
reacciones 1. Reaccin de compuestos carbonlicos con el reactivo de
Grignard (seccin 13.4). a) La reaccin del formaldehdo con el
reactivo de Grignard forma un alcohol primario: b) La reaccin de un
aldehdo (distinto al formaldehdo) con el reactivo de Grignard forma
un alcohol secundario: c) La reaccin de una cetona con el reactivo
de Grignard forma un alcohol terciario: R RC R R 1. CH3MgBr 2. H3O+
OH CH3 O C R HC 1. CH3MgBr 2. H3O+ OH CH3 O H C R O H C H 1.
CH3MgBr 2. H3O+ CH3CH2OH xxv
28. Visualizacin Uno de los mayores desafos que enfrentan los
estudiantes de qumica orgnica radica en la naturaleza
frecuentemente abstracta del tema. Para ayudarle a visualizar mejor
los conceptos importantes, hemos desarrollado un notable trabajo
esquemtico en papel y en el sitio Web Companion que acompaan este
libro. Mapas de potencial electrosttico Los mapas de potencial
electrosttico le ayudarn a visualizar la es- tructura electrnica de
molculas y tomos, y a entender mejor por qu y cmo ocurren las
reacciones. Utilcelos para entender por qu algunas molculas y iones
se comportan de cierta manera. Esquemas moleculares formaldehdo
acetaldehdo acetona A lo largo de libro hay estructuras
tridimensionales para brindarle una idea ms exacta de la forma de
las molculas orgnicas. glicina leucina aspartame lisina Globos de
dilogo, que le ayudarn a concentrarse en los puntos importan- tes
de discusin. Un nuclefilo reacciona con un electrfilo. son
electrfilos porque pueden aceptar un par de electrones CH3CH2H+ +
estos son nuclefilos porque tienen un par de electrones para
compartir Cl H2OHO CH3NH2 Un tomo o molcula rica en electrones se
denomina nuclefilo. Un nuclefilo tiene un par de electrones que
puede compartir. Algunos son neutros y otros tienen carga negativa.
Puesto que un nuclefilo tiene electrones para compartir y un
electrfilo est en bsqueda de electrones, no resulta sorprendente
que se atraigan entre s. De tal modo, la regla ante- rior se puede
rescribir como un nuclefilo reacciona con un electrfilo. Ya se ha
estudiado que un enlace p es ms dbil que uno s (seccin 1.14). Por
lo tanto, el enlace p se rompe con ms facilidad cuando un alqueno
reacciona. Tambin se ha estu- diado que el enlace p de un alqueno
consiste en una nube de electrones sobre y debajo del enlace s.
Esta nube de electrones causa que el alqueno sea una molcula rica
en electrones, por lo tanto, es un nuclefilo. (Observe el rea
anaranjada rica en electrones de los mapas d i l l i d l 2 b l i 4
3) P l ibl xxvi
29. VISUALIZACINYMULTIMEDIA Multimedia Tutorial interactivo y
galeras con animacin, resaltan los conceptos centrales de cada
captulo e ilustran los mecanismos clave. A veces los tutoriales
permiten que el estudiante elija opciones incorrectas y luego le
explica por qu existe una respuesta mejor. Sitio Web Companion con
GradeTracker http://www.prenhall.com/bruice Centenares de recursos
del libro de texto y en lnea estn disponibles en un solo
CD-ROM/DVD, que incluye imgenes y tablas, tutoriales interactivos,
animaciones y modelos moleculares tridimensionales. Los esquemas
fijos se encuentran en formato JPEG para su fcil importacin, ya sea
a presentaciones de PowerPoint (con o sin notas de conferencia) o a
formato de Adobe PDF para impresin en alta resolucin. Los objetos
tipo Web se ejecutan directamente del CD- ROM/DVD en su navegador
de Internet, aun sin que se encuentre conectado. El navegador
MediaPortfolio incluido le permite navegar por medio de imgenes en
miniatura o buscar artculos por palabra clave, ttulo o descripcin.
Centro de recursos para el instructor en CD/DVD Las Galeras
moleculares contienen cientos de modelos moleculares
tridimensionales de los compuestos apuntados en el captulo. Usted
puede girar y comparar modelos, cambiar su representacin y examinar
la superficie del mapa de potencial electrosttico, una manera nica
de aprender qumica orgnica en Internet. Los Ejercicios y
cuestionarios de prctica contienen ejercicios nuevos que ponen a
prueba la comprensin del material. Cada pregunta incluye una pista
con referencia cruzada a una lectura del texto y retroalimentacin
detallada. Con GradeTracker los estudiantes pueden abordar los
problemas y dar seguimiento a su progreso a lo largo del semestre.
Los instructores pueden tomar estas calificaciones en cualquier
momento del semestre. xxvii
30. xxviii Acerca de la autora Paula Yurkanis Bruice vivi en
Massachusetts, Alemania y Suiza principalmente, se gradu en la
Girls Latin School de Boston. Curs su licenciatura en Mount Holyoke
Col- lege y obtuvo su doctorado en qumica en la Universidad de
Virginia. Recibi una mem- bresa postdoctoral en el NIH por sus
estudios de bioqumica en la Facultad de Medicina de la Universidad
de Virginia, y recibi una mencin postdoctoral en el Departamento de
Farmacologa en Facultad de Medicina en Yale. Forma parte del cuerpo
docente de la Universidad de California, Santa Brbara, donde se le
ha galardonado con el premio de la Sociedad de Alumnos al Maestro
del Ao, el pre- mio al Profesor Distinguido del Senado, y dos
premios al Profesor de Birrete. Su principal inters en la
investigacin se centra en el mecanismo y la catlisis de las
reacciones orgni- cas, en especial las que tienen relevancia
biolgica. Paula tiene una hija y un hijo mdicos y otro abogado. Sus
principales pasatiempos son la lectura de novelas de
misterio/suspenso y sus mascotas (dos perros, dos gatos y un loro).
Paula Bruice y Zeus
31. Etano Eteno Etino P ara sobrevivir, los primeros seres
humanos tuvieron que distinguir las diferencias entre dos tipos de
materiales en el mundo. Quiz se les dijo: Pueden vivir de races y
ba- yas, pero no pueden vivir en la suciedad. Pueden calentarse
queman- do ramas de rbol, pero no pueden quemar piedras. A
principios del siglo XVIII, los cientficos creyeron haber
comprendido la naturaleza de dicha diferencia. Creyeron que los
compuestos derivados de los organismos vivos contenan una
inconmensurable fuerza vital, la esencia de la vida. Y puesto que
procedan de los organismos, se les llam compuestos orgnicos. Los
compuestos derivados de los minerales, que carecan de di- cha
fuerza vital, se consideraron inorgnicos. Como los qumicos no podan
crear vida en el laboratorio, supusieron que no podan crear
compuestos con fuerza vital. Con este esquema mental, usted puede
imagi- nar la sorpresa de los qumicos cuando en 1828 Friedrich
Whler obtuvo urea, compuesto que se saba desechaban los mamferos,
al calentar cianato de amonio, un mineral inorgnico. Por primera
vez, se haba obtenido un compuesto orgnico a partir de algo
distinto a un organismo vivo y, por supuesto, sin ayuda de alguna
clase de fuerza vital. Qued claro que los qumicos necesitaban una
nueva definicin para los compuestos orgnicos. Los com- puestos
orgnicos ahora se definen como compuestos que tienen carbono. Por
qu existe toda una rama de la qumica dedicada al estudio de los
compuestos que contienen carbono? Porque casi todas las molculas
que hacen posible la vida (protenas, enzimas, vitaminas, lpidos,
carbohidratos y cidos nucleicos) contienen carbono; de tal modo,
las reacciones qumicas que tienen lugar en los sistemas vivos,
incluyendo nuestros propios cuerpos, son orgnicas. La mayora de los
compuestos que se encuentran en la na- turaleza, aquellos de los
que dependemos para nuestra alimentacin, medicinas, vestido
(algodn, lana, seda), y energa (gas natural, petrleo), tambin son
orgnicos. Sin em- C NH2 O calor NH4 OCN cianato de amonio H2N urea
+ Estructura electrnica y enlaces covalentes 1 El qumico alemn
Friedrich Whler (1800-1882) comenz su vida profesional como mdico y
luego se convirti en profesor de qumica en la Universidad de
Gttingen. Whler descubri el hecho de que dos sustancias qumicas
distintas podan tener la misma frmula molecular. Tambin desarroll
mtodos de purificacin para el aluminio, en ese entonces, el metal
ms costoso de la tierra, y el berilio. 1
32. 2 C A P T U L O 1 Estructura electrnica y enlaces
covalentes NATURAL Y SINTTICO Hay quienes consideran que algo
natural, hecho en la naturaleza es mejor que lo sinttico, hecho en
el laboratorio. Cuando un qumico sintetiza un compuesto, como la
penicilina o el estradiol, este es exactamente igual en todos los
aspectos que el compuesto elaborado en la naturaleza. A veces los
qumicos pueden superar a la naturaleza. Por ejemplo, los qu- micos
han sintetizado sustancias similares a la morfina, que tienen sus
mismos efectos analgsicos, pero a diferencia de sta, no ge- neran
adiccin. Los qumicos han sintetizado sustancias anlogas a la
penicilina que no generan las respuestas alrgicas que experimen- ta
una significativa parte de la poblacin, adems esta penicilina no
presenta resistencia bacteriana, como el antibitico de origen
natural. bargo, los compuestos orgnicos no se limitan a aquellos
que se encuentran en la natura- leza. Los qumicos han aprendido a
sintetizar millones de compuestos orgnicos nunca encontrados en la
naturaleza, incluyendo telas sintticas, plsticos, caucho sinttico,
medi- camentos e incluso cosas como la pelcula fotogrfica y los
sper pegamentos. Muchos de estos compuestos sintticos evitan la
escasez de los productos de origen natural. Por ejemplo, se calcula
que si no se contara con los materiales sintticos para la
elaboracin de ropa, se tendra que utilizar toda la tierra
cultivable de Estados Unidos para la produccin de algodn y lana
necesaria slo para vestirnos. En la actualidad, se conocen cerca de
16 millones de compuestos orgnicos, y son factibles muchos ms. Qu
es lo que hace espacial al carbono? Por qu existen tantos
compuestos que con- tienen carbono? La respuesta se explica por la
posicin del carbono dentro de la tabla pe- ridica. El carbono est
al centro de la segunda fila de elementos. Los tomos que estn a la
izquierda del carbono tienden a ceder electrones, mientras que los
que se encuentran a su derecha tienden a captarlos (seccin 1.3).
Puesto que el carbono est al centro, no cede ni acepta electrones
con facilidad; mejor los comparte. El carbono comparte sus
electrones con varias clases de tomos, y tambin pue- de hacerlo con
otros tomos de carbono. En consecuencia, con el simple hecho de
compar- tir electrones, el carbono es capaz de formar millones de
compuestos estables con una amplia variedad de propiedades qumicas.
Al estudiar qumica orgnica, estudiamos cmo reaccionan los
compuestos orgnicos. Cuando reacciona un compuesto orgnico, se
rompen algunos enlaces existentes y se for- man algunos nuevos. Los
enlaces se forman cuando dos tomos comparten electrones, y se
rompen cuando dos tomos ya no los comparten. La facilidad con la
que se forma o rompe un enlace depende de los electrones especficos
que se comparten, lo que a su vez depende de los tomos a los que
pertenecen dichos electrones. Por tanto, si vamos a comenzar a es-
tudiar la qumica orgnica desde el principio, debemos empezar por
entender la estructura del tomo, qu electrones tiene un tomo y en
dnde se localizan. Li Be B C segunda fila de la tabla peridica N O
F 1.1 Estructura del tomo Un tomo se compone de un pequeo y denso
ncleo rodeado de electrones dispersos en un volumen de espacio
relativamente grande alrededor de dicho ncleo. El ncleo contie- ne
a los protones de carga positiva y a los neutrones que carecen de
carga, por tanto est cargado de forma positiva. Los electrones
tienen carga negativa. Puesto que la magnitud de la carga positiva
de un protn es igual a la de la carga negativa de un electrn, un
tomo es neutro porque tiene el mismo nmero de protones y
electrones. Los tomos pueden ganar
33. Seccin 1.2 Distribucin de los electrones en un tomo 3
electrones y de esa manera asumir una carga negativa, o perder
electrones y asumir una carga positiva. Sin embargo, el nmero de
protones de un tomo nunca cambia. Los protones y neutrones tienen
una masa aproximadamente igual y son cerca de 1,800 veces ms
pesados que un electrn. Esto significa que la mayor parte de la
masa de un to- mo est dada por su ncleo. No obstante, la mayor
parte del volumen del tomo est ocu- pado por los electrones, y es
ah donde se concentrar nuestra atencin, pues son ellos los que
forman los enlaces qumicos. El nmero atmico de un tomo es igual al
nmero de protones en su ncleo. Tambin es el nmero de electrones que
estn alrededor del ncleo de un tomo elctricamente neu- tro. Por
ejemplo, el nmero atmico del carbono es 6, lo que significa que un
tomo de car- bono elctricamente neutro tiene seis protones y seis
electrones. El nmero de masa de un tomo es igual a la suma de sus
protones y neutrones. Todos los tomos de carbono tienen el mismo
nmero atmico porque todos tienen el mismo n- mero de protones, pero
no todos tienen el mismo nmero de masa, debido a que no tienen el
mismo nmero de neutrones. Por ejemplo, 98.89% de los tomos de
carbono de origen natural tienen seis neutrones, lo que les da un
nmero de masa de 12, y 1.11% tienen siete neutrones, lo que les da
un nmero de masa de 13. Estos dos distintos tipos de tomos de
carbono (l2 C y l3 C) se denominan istopos. Los istopos tienen el
mismo nmero atmico (es decir, el mismo nmero de protones), pero
distinto nmero de masa, porque tienen di- ferente nmero de
neutrones. El carbono de origen natural tambin contiene una pequea
cantidad de 14 C, que tiene seis protones y ocho neutrones. Este
istopo del carbono es radioactivo, con un decaimien- to radioactivo
con una vida media de 5,730 aos (la vida media es el tiempo que
transcurre para que la mitad de los ncleos decaiga). Mientras una
planta o animal tienen vida, absor- ben 14 C, como tambin lo
secretan o exhalan. Al morir, dejan de absorberlo, de manera que la
cantidad de 14 C en el organismo se reduce lentamente. Por lo
tanto, es posible determi- nar la edad de una sustancia orgnica
mediante su contenido de 14 C. La masa atmica de un elemento de
origen natural es igual a la masa promedio de sus tomos. La masa
molecular de un compuesto es igual a la suma de los pesos atmicos
de todos los tomos que conforman la molcula. PROBLEMA 1 El oxgeno
tiene tres istopos, con nmeros de masa de 16, 17 y 18. El nmero
atmico del ox- geno es 8. Cuntos protones y neutrones tienen cada
uno de los istopos del oxgeno? 1.2 Distribucin de los electrones en
un tomo Se puede considerar que los electrones de un tomo ocupan un
conjunto de capas que rodean al ncleo. Los electrones se
distribuyen en dichas capas de acuerdo con una teora desarrollada
por Einstein. La primera capa es la ms cercana al ncleo; la segunda
queda ms alejada del ncleo, y an ms lejos la tercera y las
superiores. Cada capa contiene sub- capas que se conocen como
orbitales atmicos. La primera capa se compone slo de un orbital
atmico s; la segunda, de los orbitales atmicos s y p; y la tercera
tiene los orbitales atmicos s, p y d (tabla 1.1). Tabla 1.1
Distribucin de los electrones en las tres primeras capas que rodean
al ncleo Primera capa Segunda capa Tercera capa Orbitales atmicos s
s, p s, p, d Nmero de orbitales atmicos 1 1, 3 1, 3, 5 Nmero mximo
de electrones 2 8 18
34. 4 C A P T U L O 1 Estructura electrnica y enlaces
covalentes Cada capa contiene un orbital s. La segunda capa y
subsecuentes, adems de su orbital s, cada una contiene tres
orbitales p. Los tres orbitales p tienen la misma energa. La terce-
ra capa y subsecuentes, adems de sus orbitales s y p, tambin
contienen cinco orbitales d. Puesto que un orbital no puede tener
ms de dos electrones (vea ms adelante), la primera capa, con un
solo orbital atmico, no puede tener ms de dos electrones. La
segunda capa, con cuatro orbitales atmicos, uno s y tres p, puede
tener un total de ocho electrones. Mientras que 18 electrones
pueden ocupar nueve orbitales atmicos (uno s, tres p y cinco d) de
la tercera capa. Es importante recordar que cuanto ms cercano est
el orbital atmico al ncleo, me- nor es su energa. Como el orbital
1s est ms cerca del ncleo que el orbital 2s, su energa es menor.
Comparando los orbitales de la misma capa, se observa que un
orbital s tiene menos energa que un orbital p, que a su vez tiene
menos energa que uno d. Energa relativa de los orbitales atmicos:
La configuracin electrnica de un tomo describe cules orbitales
ocupan los electro- nes. Para determinar la configuracin electrnica
de un tomo se utilizan las tres siguien- tes reglas: 1. Los
electrones siempre se colocan dentro de los orbitales con menor
nivel de energa que se encuentren desocupados. 2. Cada orbital
puede alojar a no ms de dos electrones, que deben tener espn
opuesto. (Observe en la tabla 1.2 que el espn en una direccin se
indica con , y el espn en direccin opuesta con ). A partir de estas
dos reglas, se pueden asignar electrones a los orbitales atmicos de
los tomos que contienen uno, dos, tres, cuatro o cinco electrones.
El nico electrn del tomo de hidrgeno ocupa un orbital 1s, el
segundo electrn del tomo de helio completa el orbi- tal 1s, el
tercer electrn del tomo de litio ocupa un orbital 2s, el cuarto
electrn de un to- mo de berilio completa el orbital 2s y el quinto
electrn de un tomo de boro ocupa uno de los orbitales 2p (para
diferenciar los tres orbitales 2p se utilizan los subndices x, y,
z). Co- mo los tres orbitales 2p tienen la misma energa, el electrn
se puede acomodar en cual- quiera de ellos. Para poder continuar
con los tomos con seis electrones o ms es necesaria una tercera
regla: 3. Cuando hay dos o ms orbitales con la misma energa, un
electrn se alojar en un orbital vaco antes de hacerlo en otro con
el que formara un par con otro electrn. 1s 6 2s 6 2p 6 3s 6 3p 6 3d
Tutorial: Electrones en orbitales Tabla 1.2 Configuracin electrnica
de los tomos ms pequeos Nombre del elemento Nmero atmicotomo 1s 2s
2px 2py 2pz 3s H Hidrgeno 1 He Helio 2 Li Litio 3 Be Berilio 4 B
Boro 5 C Carbn 6 N Nitrgeno 7 O Oxgeno 8 F Flor 9 Ne Nen 10 Na
Sodio 11 Cuanto ms cercano est el orbital al ncleo, menor es su
energa.
35. Seccin 1.3 Enlaces inico y covalente 5 ALBERT EINSTEIN
Albert Einstein (1879-1955) es uno de los fsicos ms famosos del
siglo XX. Einstein naci en Alemania. Cuando estaba en la
preparatoria, quebr el negocio de su padre y su familia emigr a
Miln, Italia. Einstein se tuvo que quedar porque en las leyes
alemanas el cumplimiento de servicio militar era obligatorio al
terminar la preparatoria. Einstein quera reunir- se con su familia
en Italia. Su maestro de matemticas escribi una carta diciendo que
poda tener un colapso nervioso por la ausencia de su familia y que
no le quedaba nada por ensearle. Con el tiempo, se le pidi que
abandonara la escuela debido a su mala conducta. El folclore
popular dice que la dej debido a sus malas calificaciones en latn y
griego, aunque sus notas en dichas materias eran buenas. Cuando
Hitler lleg al poder en Alemania, Einstein se encontraba de visita
en Estados Unidos, donde acept un puesto en el Instituto de
Estudios Avanzados en Princeton, y adquiri la nacio- nalidad
estadounidense en 1940. Aunque fue pacifista durante toda su vida,
escribi una carta al presidente Roosevelt advirtindole de los
inquietantes avances de la investigacin nuclear alemana. Esto
condujo a la formacin del proyecto Manhattan, el cual desarroll la
bomba atmica, que fue probada en Nuevo Mxico en 1945. Por lo tanto,
el sexto electrn de un tomo de carbono se acomoda en un orbital 2p
vaco. en lugar de aparearse con el electrn que ya ocupa otro
orbital 2p (tabla 1.2). Todava que- da un orbital 2p vaco, que es a
donde va el sptimo electrn de un tomo de nitrgeno. El octavo
electrn de un tomo de oxgeno forma un par con el electrn que ocupa
un orbital 2p en lugar de ir a un orbital 3s de mayor energa. Los
electrones de las capas internas (aquellos que estn bajo la capa
externa) se deno- minan electrones de capa interna. Los electrones
de la capa externa se designan electro- nes de valencia. Por
ejemplo, el carbono tiene dos electrones centrales y cuatro
electrones de valencia (tabla 1.2). El litio y sodio tienen, cada
uno, un electrn de valencia. Los elementos en la misma co- lumna de
la tabla peridica tienen el mismo nmero de electrones de valencia.
Como el n- mero de electrones de valencia es el factor principal
que determina las propiedades qumicas de un elemento, los elementos
que se encuentran en la misma columna de la ta- bla peridica tienen
propiedades qumicas semejantes. (Puede encontrar una tabla peridica
en la parte interna de la pasta posterior de este libro). De esta
manera, el comportamiento qumico de un elemento depende de su
configuracin electrnica. PROBLEMA 2 Cuntos electrones de valencia
tienen los siguientes tomos? a) carbono b) nitrgeno c) oxgeno d)
flor PROBLEMA 3 En la tabla 1.2 se muestra que el litio y sodio
tienen, cada uno, un electrn de valencia. Busque el potasio (K) en
la tabla peridica y pronostique cuntos electrones de valencia
tiene. PROBLEMA 4 Cuntos electrones de valencia tienen el cloro,
bromo y yodo? 1.3 Enlaces inico y covalente Al intentar explicar
por qu los tomos forman enlaces, G. N. Lewis propuso que un tomo es
ms estable si su capa externa est llena o contiene ocho electrones
y no tiene electro- nes de alta energa. De acuerdo con la teora de
Lewis, un tomo cede, acepta o comparte
36. 6 C A P T U L O 1 Estructura electrnica y enlaces
covalentes a) b) Figura 1.1 a) Cloruro de sodio cristalino. b) Los
iones de cloro ricos en electrones estn en color rojo, los iones de
sodio pobres en electrones se muestran en azul. Cada ion cloruro
est rodeado por seis iones de sodio, y cada ion de sodio est
rodeado por seis iones de cloruro. Ignore los enlaces que mantienen
unidas las esferas; estn ah slo para evitar que se desarme el
modelo. Molcula tridimensional: Rejilla de cloruro de sodio
electrones para tener llena su capa externa o una capa externa con
ocho electrones. A esta teora se le conoce como regla del octeto.
El litio (Li) tiene un solo electrn en su orbital 2s. Si lo pierde,
el tomo de litio queda con una capa externa llena, es decir, una
configuracin estable. Por lo tanto, el litio pierde un electrn con
relativa facilidad. El sodio (Na) tiene un solo electrn en su
orbital 3s, por lo que tambin pierde un electrn con facilidad. Al
dibujar los electrones que rodean un tomo, como en las siguientes
ecuaciones, no se incluye a los electrones de capa interna; slo se
muestran los electrones de valencia porque slo stos se utilizan
para establecer enlaces. Cada electrn de valencia se representa con
un punto. Observe que al eliminar el solitario electrn del litio o
del sodio, el tomo resul- tante ahora llamado in queda con carga
positiva. El flor y el cloro tienen, cada uno, siete electrones de
valencia (tabla 1.2 y problema 4). En consecuencia, acepta con
facilidad un electrn con el fin de completar una capa ex- terna de
ocho electrones. Enlace inico Puesto que el sodio cede con
facilidad un electrn y el cloro acepta fcilmente un electrn, cuando
se mezclan sodio metlico y cloro gaseoso, cada tomo de sodio
transfiere un elec- trn a un tomo de cloro, y se forma cloruro de
sodio cristalino (sal de mesa). Los iones de sodio con carga
positiva y los iones de cloro con carga negativa se mantienen
unidos por la atraccin de las cargas opuestas (figura 1.1). Un
enlace es una fuerza de atraccin entre dos tomos. Un enlace que se
forma como resultado de la atraccin de cargas opuestas se conoce
como enlace inico. Cl + Na Cl Cl + Na Cl Cl + Na + Na cloruro de
sodio enlace inico + e Cl + e F F Cl Li +Li+ e Na +Na+ e
37. Seccin 1.3 Enlaces inico y covalente 7 Enlace covalente En
vez de ceder o aceptar electrones, un tomo puede llenar (o
completar ocho electrones en) su capa externa compartiendo
electrones. Por ejemplo, dos tomos de flor pueden lle- nar su
segunda capa compartiendo sus electrones de valencia desapareados.
Un enlace que se forma como resultado de compartir electrones se
conoce como enlace covalente. Dos tomos de hidrgeno pueden formar
un enlace covalente al compartir sus electrones. Como resultado de
un enlace covalente, cada hidrgeno completa una primera capa llena.
De modo semejante, el hidrgeno y el cloro pueden formar un enlace
covalente compar- tiendo electrones. Al hacerlo, el hidrgeno llena
su nica capa y el cloro completa una ca- pa externa de ocho
electrones. Un tomo de hidrgeno puede quedar con su capa totalmente
vaca al perder un elec- trn. La prdida de su nico electrn produce
un in hidrgeno con carga positiva. Al in hidrgeno cargado
positivamente se le llama protn porque cuando el hidrgeno pierde su
electrn de valencia, slo queda el ncleo del hidrgeno, que se
compone de slo un pro- tn. Un tomo de hidrgeno puede llenar su capa
externa aceptando un electrn, formando as un in hidrgeno con carga
negativa, denominado in hidruro. Como el oxgeno tiene seis
electrones de valencia, necesita formar dos enlaces covalen- tes
para llenar su capa externa con ocho electrones (es decir, para
completar su octeto). El nitrgeno, con cinco electrones de
valencia, debe formar tres enlaces covalentes, y el car- bono, con
cuatro electrones de valencia, debe formar cuatro enlaces
covalentes para com- pletar sus respectivos octetos. Observe que
todos los tomos en el agua, amoniaco y metano tienen llena su capa
externa. Enlaces covalentes polares Los tomos que comparten
electrones en el enlace covalente FF o en el HH son idn- ticos. Por
lo tanto, comparten los electrones igualmente; es decir, cada
electrn pas tanto tiempo en vecindad con uno de los tomos como del
otro. Este tipo de enlaces se llaman enlace covalente no polar. +2
H H H agua O O +3 H H H H amoniaco N N +4 H H H H H metano C C H H+
protntomo de hidrgeno tomo de hidrgeno H H in hidruro + e + e +H
HCl Cl +H H H H +F F F F enlace covalente En la figura se muestra
una escultura de bronce de Einstein que se encuentra en los
jardines de la Academia Estadounidense de Ciencias en Washington,
D. C. Este monumento mide 6.40 metros desde la parte superior de la
cabeza hasta la punta del pie y pesa ms de 3,175 kilos. En su mano
izquierda, Einstein sostiene las ecuaciones matemticas que
representan sus tres contribuciones ms importantes a las ciencias:
el efecto fotoelctrico, la relacin masa y energa, y la teora de la
relatividad. A sus pies se encuentra un mapa celeste.
38. 8 C A P T U L O 1 Estructura electrnica y enlaces
covalentes Por el contrario, los electrones enlazantes del cloruro
de hidrgeno, del agua y del amo- niaco reciben mayor atraccin de
uno de los tomos del otro, porque los tomos que com- parten los
electrones en esas molculas son distintos y tienen diferente
electronegatividad. La electronegatividad es la tendencia de un
tomo para atraer hacia s los electrones enlazan- tes. Los
electrones enlazantes del cloruro de hidrgeno, del agua y del
amoniaco reciben mayor atraccin del tomo con mayor
electronegatividad. Un enlace covalente polar es un enlace
covalente entre tomos con electronegatividades distintas. En la
tabla 1.3 se muestra la electronegatividad de algunos elementos.
Observe que sta aumenta a medida que se avanza de izquierda a
derecha por una lnea de la tabla peridica o hacia arriba de
cualquiera de las columnas. Tutorial: Diferencias de
electronegatividad y tipo de enlace Tabla 1.3 Electronegatividad de
algunos elementosa aLos valores de la electronegatividad son
relativos, no absolutos. En consecuencia, existen varias escalas de
electronegatividad. Las electronegatividades que aqu se muestran
proceden de la escala desarrollada por Linus Pauling. IA IIA IB IIB
IIIA IVA VA VIA VIIA incrementodelaelectronegatividad incremento de
la electronegatividad H 2.1 Li 1.0 Na 0.9 K 0.8 Be 1.5 Mg 1.2 B 2.0
Al 1.5 C 2.5 Si 1.8 N 3.0 P 2.1 O 3.5 S 2.5 F 4.0 Cl 3.0 Br 2.8 I
2.5 Ca 1.0 Un enlace covalente polar tiene una densidad de carga
positiva en un extremo y una densidad de carga negativa en el otro.
La polaridad en un enlace covalente se seala con los smbolos d1 y
d2, que denotan una carga parcialmente positiva y parcialmente
negativa, respectivamente. El extremo negativo de enlace
corresponde al que tiene al tomo ms electronegativo. Cuanto mayor
es la diferencia de electronegatividad entre los tomos liga- dos,
ms polarizado ser el enlace. Se puede considerar que los enlaces
inicos y los enlaces covalentes no polares se en- cuentran en los
extremos opuestos de un continuo de tipos de enlace. Un enlace
inico im- plica que no se comparten electrones. Un enlace covalente
no polar implica compartirlos por igual. Los enlaces covalentes
polares quedan entre los dos anteriores, y cuanto mayor sea la
diferencia de electronegatividad entre los tomos que forman el
enlace, ms se acer- ca el enlace al extremo inico de dicho
continuo. Los enlaces CH son relativamente no polares, porque el
carbono y el hidrgeno tienen electronegatividades similares
(diferencia de electronegatividad 5 0.4; vea la tabla 1.3). Los
enlaces NH son relativamente polares (diferencia de electrone