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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 compartimosen 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.

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Fundamentos de

Qumica Orgnica

Paula Yukanis Bruice

Primera edicin

eBook

Informacin til para recordar

Cuanto ms fuerte es un cido, ms dbil es su baseconjugada. (2.1)El cido ms fuerte, tendr ms facilidad para donar unprotn. (2.2)Cuanto ms fuerte es el cido, menor es su pKa. (2.2)La fuerza de un cido se determina por medio de laestabilidad de la base, que se forma cuando el cido donasu protn. Cuanto ms estable sea la base, ms fuerte es sucido conjugado. (2.3)Al moverse por una fila en la tabla peridica, cuanto mselectronegativo 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 msgrande sea el tomo al que se le aade el hidrgeno, msfuerte ser el cido. (2.3)Un compuesto existe principalmente en su forma cida (consu protn) en soluciones que son ms cidas que su valorpKa y, en su forma bsica (sin su protn) en soluciones queson ms bsicas que el valor del pKa. (2.4)Estabilidad del alqueno: cuanto ms sustituyentes alquiloestn 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 atradospor los tomos o molculas con dficit de electrones. Esdecir, los neclefilos atraen a los electrfilos. (4.7)Las flechas curvas muestran el flujo de electrones; se trazandesde un tomo o molcula ricos en electrones hasta untomo 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, elelectrfilo se une al carbono sp2 que est unido al mayornmero de hidrgenos. (5.3)Una reaccin de reduccin aumenta el nmero de enlacesCH. (5.12)Electronegatividad: sp . sp2 . sp3. (5.13)Cuanto ms grande es la estabilidad pronosticada delcontribuyente de resonancia, mayor es su contribucin a laestructura del hbrido de resonancia. (6.5)La estabilizacin por resonancia es la medida de ladiferencia 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 dienosaislados. (6.7)

Para que un compuesto sea aromtico debe de ser cclico yplano, y debe tener una nube ininterrumpida de electronesp. La nube p debe tener un nmero impar de pares deelectrones p. (7.1)Todos los sustituyentes activadores del anillo de bencenohacia una sustitucin electroflica son director orto/para.Los halgenos son tambin directores orto/para. Todos lossustituyentes que aceptan electrones (con excepcin de los halgenos), que desactivan al anillo de benceno haciauna sustitucin electroflica son directores meta. (7.13)Una molcula quiral tiene una imagen especular nosuperpuesta. (8.4)Un compuesto con uno o ms centros asimtricos podr serpticamente 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, menosselectiva ser. (9.4)Cuanto ms dbil sea la base, mejor ser como gruposaliente. (10.3)En una reaccin de eliminacin, el hidrgeno se remuevede un carbono b que est unido al menor nmero dehidrgenos. (10.8)Cuanto ms dbil es una base, ms fcilmente puede serdesplazada. (11.2)Una reaccin de oxidacin disminuye el nmero de enlacesCH. (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 unareaccin de sustitucin nucleoflica de acilo, siempre que el grupo recientemente agregado en el intermediariotetradrico sea una base tan fuerte o ms fuerte que elgrupo que estaba unido al grupo acilo en el reactante. (12.6)En una reaccin catalizada por cido se dona un protn alreactivo o reactante. (19.2, 18.2)En una reaccin catalizada por base se elimina un protndel reactivo o reactante. (18.2)Los enlaces ms fuertes muestran bandas de absorcin anmeros de onda ms grandes. (15.2)Los grupos electroatractores o ms electronegativos hacenque las seales RNM aparezcan a frecuencias ms altas(valores de d ms grandes). (15.12).

Temas de inters

Lo natural contra lo sinttico (1.0)Albert Einstein (1.2)El diamante y el grafito: sustancias queslo 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 colesterolalto (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 haciaadelante? (5.16)El sueo de Kekul (6.1)Los electrones deslocalizados en elsentido de la vista (6.6)Luz ultravioleta y bloqueadores solares(6.10)Antocianinas: una clase de compuestosllenos 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 energacon 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 contienenhalgenos (10.7)Erradicacin de termitas (10.11)S-adenosilmetionina: un antidepresivonatural (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 guerraqumica (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 lamadre naturaleza (12.4)Impulsos nerviosos, parlisis einsecticidas (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 compuestodesagradable (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 resonanciamagntica (15.18)Medicin de los niveles de glucosasangunea 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 lavida (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 delmetabolismo (19.6)Alcaptonuria (19.6)Velocidad del metabolismo basal (19.9)cidos grasos omega (20.1)Olestra: un producto sin grasa y consabor (20.3)Las ballenas y su forma de orientarsepor 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 latraduccin (21.8)Huella dactilar del ADN (21.11)Resistencia a los herbicidas (21.12)Seguridad con los frmacos (22.4)Medicamentos hurfanos (22.10)

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Fundamentos de Qumica orgnica

Fundamentos deQumica orgnica

Paula Yurkanis BruiceUniversity of California, Santa Barbara

TRADUCCINVctor Campos OlgunTraductor profesional

Sergio Durn ReyesTraductor profesional

REVISIN TCNICAM. en C. Anel Vernica Garduo GarcaFacultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Luis Ros VillaseorPreparatoria Colegio Las Rosas

Executive Editor: Nicole FolchettiMedia Editor: Margaret TrombleyProject Manager: Kristen KaiserArt Director: Maureen EideAssistant Art Director: John ChristianaAssistant Managing Editor, Science Media: Nicole M. JacksonAssistant Managing Editor, Science Supplements: Becca RichterExecutive Marketing Manager: Steve SartoriMedia Production Editor: Karen BoschProduction Assistant: Nancy BauerEditorial Assistant: Timothy MurphyDirector, Creative Services: Paul BelfantiManufacturing Manager: Alexis Heydt-LongManufacturing Buyer: Alan FischerSenior Managing Editor, Art Production and Management:

Patricia BurnsManager, Production Technologies: Matthew HaasManaging Editor, Art Management: Abigail BassArt Production Editor: Denise KellerManager, Art Production: Sean HoganAssistant Manager, Art Production: Ronda Whitson

Illustrations: ESM Art Production; Lead Illustrators:Scott Wieber and Nathan Storck

Contributing Art Studios: Imagineering and Wavefunction / Richard Johnson

Spectra: Reproduced by permission of Aldrich Chemical Co.Interior Designer: Joseph SengottaDirector, Image Resource Center: Melinda ReoManager, Rights and Permissions: Zina ArabiaInterior Image Specialist: Beth Boyd-BrenzelPhoto Editor: Cynthia VincentiPhoto Researcher: Melinda AlexanderCover Designer: John ChristianaCover Researcher: Karen SanatarCover Photos: Slug: David Welling/Nature Picture Library;

DNA: Paul Morrell/Getty Images Inc.Stone Allstock;Nudibranch: David Fleetham/Getty Images Inc.Taxi;Bottle of pills: Steve Allen/Brand X Pictures/Getty Images Inc.;Water droplets: PIER/The Image Bank/Getty Images Inc.;Killer frogs: George Grall/National Geographic/Getty Images Inc.

Production Services/Composition: Prepare, Inc.

PRIMERA EDICIN, 2007D.R. 2007 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.

Atlacomulco 500-5to. pisoIndustrial Atoto53519, Naucalpan de Jurez, Edo. de MxicoE-mail: editorial.universidades@pearsoned.com

Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 1031

Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquierotro, sin permiso previo por escrito del editor.

El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes.ISBN 10: 970-26-1022-2ISBN 13: 978-970-26-1022-9

Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08 07

Datos de catalogacin 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 comoPRENTICE-HALL INC., Copyright 2006. Todos los derechos reservados.

Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

Edicin en espaolEditor: Enrique Quintanar Duarte

e-mail: enrique.quintanar@pearsoned.com Editor de desarrollo: Felipe Hernndez Carrasco Supervisor de produccin: Jos D. Hernndez Garduo

Edicin en ingls

A Meghan, Kenton y Alec, con

amor y un inmenso respeto.

A Tom, mi mejor amigo

viii

Captulo 1 Estructura electrnica y enlaces covalentes 1Captulo 2 cidos y bases 31Captulo 3 Introduccin a los compuestos orgnicos:

Nomenclatura, propiedades fsicas y representacin de su estructura 45Captulo 4 Alquenos: Estructura, nomenclatura, estabilidad e introduccin a su reactividad 81Captulo 5 Reacciones de alquenos y alquinos: Introduccin a la sntesis multipasos 103Captulo 6 Electrones deslocalizados y su efecto en la estabilidad, la reactividad y el pKa:

Espectroscopia ultravioleta y visible 137Captulo 7 Aromaticidad Reacciones del benceno y de bencenos sustituidos 162Captulo 8 Ismeros y estereoqumica 191Captulo 9 Reacciones de los alcanos Radicales 216Captulo 10 Reacciones de sustitucin y eliminacin de halogenuros de alquilo 230Captulo 11 Reacciones de alcoholes, aminas, teres y epxidos 261Captulo 12 Compuestos carbonlicos I: Sustitucin nucleoflica de acilo 288Captulo 13 Compuestos carbonlicos II: Reacciones de aldehdos y cetonas

Ms reacciones de derivados de cidos carboxlicos 320Captulo 14 Compuestos carbonlicos III: Reacciones en el carbono a 344Captulo 15 Determinacin de las estructuras de los compuestos orgnicos 365Captulo 16 Carbohidratos 407Captulo 17 Aminocidos, pptidos y protenas 434Captulo 18 Enzimas, coenzimas y vitaminas 462Captulo 19 La qumica del metabolismo 482Captulo 20 Lpidos 500Captulo 21 Nuclesidos, nucletidos y cidos nucleicos 520Captulo 22 La qumica orgnica de los frmacos:

Descubrimiento y diseo 541

Apndices I Propiedades fsicas de compuestos orgnicos A-1II Valores pKa A-8

Respuestas a problemas seleccionados A-10Glosario G-1Crditos de fotografa C-1ndice I-1

Resumen de contenido

ix

Contenido

Prefacio xviiiLo ms destacado de Fundamentos de Qumica orgnica xxvAcerca de la autora xxviii

1 Estructura electrnica y enlaces covalentes 11.1 Estructura del tomo 21.2 Distribucin de los electrones en un tomo 31.3 Enlaces inico y covalente 51.4 Representacin de estructura 101.5 Orbitales atmicos 141.6 Formacin del enlace covalente 151.7 Enlaces en el metano y el etano: enlaces simples 161.8 Enlaces en el etileno: el doble enlace 181.9 Enlaces en el etino: enlace triple 201.10 Enlaces con el catin metil, radical metil y anin metil 221.11 Enlaces del agua 231.12 Enlaces en el amoniaco y en el ion amonio 241.13 Enlaces en los halogenuros de hidrgeno 261.14 Resumen: hibridacin de orbitales, longitud de enlaces, fortaleza

de enlaces y ngulos de enlace 27Resumen 28 Problemas 29Estrategia para solucin de problemas 28Recuadros: 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 312.1 Reacciones cido-base 312.2 cidos y bases orgnicos; pKa y pH 322.3 Efecto de la estructura sobre el pKa 372.4 Efecto del pH en la estructura del compuesto orgnico 392.5 Soluciones amortiguadoras 402.6 cidos y bases de Lewis 41

Resumen 42 Problemas 43Estrategia para solucin de problemas 34, 40Recuadros: Lluvia cida 33 Sangre: una solucin amortiguadora 41

3 Introduccin a los compuestos orgnicos:Nomenclatura, propiedades fsicas yrepresentacin de su estructura 45

3.1 Nomenclatura de los sustituyentes alquil 473.2 Nomenclatura de los alcanos 513.3 Nomenclatura de los cicloalcanos 53

x Contenido

3.4 Nomenclatura de los halogenuros de alquilo 553.5 Clasificacin de los halogenuros de alquilo, alcoholes y aminas 563.6 Estructuras de halogenuros de alquilo, alcoholes, teres y aminas 573.7 Propiedades fsicas de alcanos, halogenuros de alquilo, alcoholes, teres y aminas 593.8 Conformaciones de los alcanos: rotaciones alrededor del enlace carbono-carbono 663.9 Cicloalcanos: tensin de anillo 683.10 Conformaciones del ciclohexano 693.11 Conformaciones de ciclohexanos monosustituidos 713.12 Conformaciones de ciclohexanos disustituidos 723.13 Conformaciones de anillos fundidos 74

Resumen 76 Problemas 77Estrategia para solucin de problemas 54, 62, 72Recuadros: 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 824.2 Nomenclatura de los alquenos 834.3 Estructura de los alquenos 854.4 Isomera cis-trans 864.5 Sistema de nomenclatura E,Z 884.6 Estabilidad relativa de los alquenos 914.7 Mecanismos de reaccin de los alquenos Flechas curvas 924.8 Uso de esquemas de energa de reaccin para describir el perfil de una reaccin 96

Resumen 99 Problemas 100Estrategia para solucin de problemas 91Recuadros: 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 1045.2 Estabilidad de los carbocationes 1055.3 Regioselectividad de las reacciones de adicin electroflica 1065.4 Adicin de agua a un alqueno 1105.5 Adicin de un alcohol a un alqueno 1115.6 Introduccin a los alquinos 1135.7 Nomenclatura de los alquinos 1135.8 Estructura de los alquinos 1155.9 Propiedades fsicas de los hidrocarburos no saturados 1165.10 Adicin de un halogenuro de hidrgeno a un alquino 1165.11 Adicin de agua a un alquino 1175.12 Adicin de hidrgeno a alquenos y alquinos 1195.13 Acidez de un hidrgeno unido a un carbono con hibridacin sp 1215.14 Sntesis utilizando iones acetiluros 1225.15 Introduccin a la sntesis multipasos 1235.16 Polmeros 125

Resumen 130 Resumen de reacciones 131 Problemas 132Estrategia para solucin de problemas 108, 120, 122Recuadros: 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

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 1376.2 Enlaces del benceno 1396.3 Contribuyentes de resonancia y el hbrido de resonancia 1406.4 Representacin de los contribuyentes 1416.5 Prediccin de la estabilidad de los contribuyentes de resonancia 1446.6 Estabilizacin por resonancia 1456.7 Efecto de los electrones deslocalizados en la estabilidad 1466.8 Efecto de los electrones deslocalizados en la naturaleza del producto formado

en una reaccin 1486.9 Efecto de los electrones deslocalizados en el pKa 1516.10 Espectroscopia ultravioleta y visible 1536.11 Efecto de la conjugacin en lmx 1546.12 El espectro visible y el color 155

Resumen 157 Resumen de reacciones 158 Problemas 158Estrategia para solucin de problemas 147Recuadros: 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 1637.2 Hidrocarburos aromticos 1647.3 Compuestos aromticos heterocclicos 1667.4 Nomenclatura de bencenos monosustituidos 1697.5 Cmo reacciona el benceno 1707.6 Mecanismo general de las reacciones de sustitucin electroflica aromtica 1717.7 Halogenacin del benceno 1727.8 Nitracin del benceno 1747.9 Sulfonacin del benceno 1747.10 Acilacin de Friedel-Crafts del benceno 1757.11 Alquilacin de Friedel-Crafts del benceno 1757.12 Nomenclatura de los bencenos disustituidos 1767.13 Efecto de los sustituyentes en la reactividad 1777.14 Efecto de los sustituyentes en la orientacin 1817.15 Efecto de los sustituyentes en el pKa 185

Resumen 187 Resumen de reacciones 187 Problemas 188Estrategia para solucin de problemas 184Recuadros: 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 1918.1 Ismeros cis-trans 1928.2 Quiralidad 1928.3 Centros asimtricos 1938.4 Ismeros con un centro asimtrico 1948.5 Representacin de enantimeros 1958.6 Nomenclatura de los enantimeros: sistema de nomenclatura R,S 195

xii Contenido

8.7 Actividad ptica 1998.8 Rotacin especfica 2018.9 Ismeros con ms de un centro asimtrico 2038.10 Compuestos meso 2058.11 Separacin de enantimeros 2078.12 Receptores 2088.13 Estereoqumica de las reacciones 2108.14 Estereoqumica de las reacciones con catlisis enzimtica 212

Resumen 212 Problemas 213Estrategia para solucin de problemas 198, 199, 206Recuadros: Los enantimeros de la talidomida 209 Medicamentos quirales 209

9 Reacciones de los alcanos Radicales 2169.1 La baja reactividad de los alcanos 2179.2 Cloracin y bromacin de los alcanos 2189.3 Factores que determinan la distribucin del producto 2209.4 Principio de reactividad-selectividad 2229.5 Estereoqumica de las reacciones de sustitucin por radicales 2249.6 Reacciones de radicales en los sistemas biolgicos 2249.7 Los radicales y el ozono de la estratosfera 226

Resumen 228 Resumen de reacciones 228 Problemas 228Estrategia para solucin de problemas 223Recuadros: 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 23110.2 El mecanismo de una reaccin SN2 23210.3 Factores que afectan las reacciones SN2 23510.4 El mecanismo de una reaccin SN1 23810.5 Factores que afectan las reacciones SN1 24110.6 Comparacin de las reacciones SN2 y SN1 24210.7 Reacciones de eliminacin de halogenuros de alquilo 24310.8 Productos de las reacciones de eliminacin 24510.9 Competencia entre SN2/E2 y SN1/E1 24810.10 Comparacin entre la sustitucin y la eliminacin 25110.11 Reactivos biolgicos de metilacin 254

Resumen 255 Resumen de reacciones 256 Problemas 257Estrategia para solucin de problemas 249Recuadros: 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 26111.2 Reacciones de sustitucin de alcoholes 26311.3 Reacciones de eliminacin de alcoholes: deshidratacin 26511.4 Oxidacin de alcoholes 26911.5 Las aminas no experimentan reacciones de sustitucin o eliminacin 271

Contenido xiii

11.6 Nomenclatura de teres 27211.7 Reacciones de sustitucin de teres 27311.8 Reacciones de epxidos 27511.9 xidos areno 280

Resumen 283 Resumen de reacciones 283 Problemas 284Estrategia para solucin de problemas 281Recuadros: 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 guerraqumica 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 28912.2 Estructuras de cidos carboxlicos y derivados de cidos carboxlicos 29212.3 Propiedades fsicas de los compuestos carbonlicos 29312.4 cidos carboxlicos y derivados de cido carboxlico que se presentan

en la naturaleza 29412.5 Cmo reaccionan los compuestos carbonlicos clase I 29612.6 Reactividades relativas de cidos carboxlicos y derivados de cido carboxlico 29712.7 Reacciones de cloruros de acilo 29912.8 Reacciones de steres 30112.9 Hidrlisis de ster catalizada por cido 30312.10 Reacciones de cidos carboxlicos 30712.11 Reacciones de amidas 30912.12 Hidrlisis de amidas catalizadas por cido 31012.13 Sntesis de derivados de cido carboxlico 31212.14 Nitrilos 314

Resumen 315 Resumen de reacciones 315 Problemas 316Estrategia para solucin de problemas 297Recuadros: 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 32113.2 Reactividades relativas de los compuestos carbonlicos 32313.3 Cmo reaccionan aldehdos y cetonas 32413.4 Reacciones de compuestos carbonlicos con el reactivo de Grignard 32413.5 Reacciones de compuestos carbonlicos con el ion hidruro 32913.6 Reacciones de aldehdos y cetonas con aminas 33113.7 Reacciones de aldehdos y cetonas con oxgeno nucleoflico 33413.8 Adicin nucleoflica a compuestos carbonlicos a,b-insaturados 33713.9 Adiciones catalizadas por enzima a compuestos carbonlicos a,b-insaturados 338

Resumen 338 Resumen de reacciones 339 Problemas 341Estrategia para solucin de problemas 328Recuadros: Butanediona: un compuesto desagradable 323 Sntesis de compuestosorgnicos 328 Drogas semisintticas 329 Preservacin de especmenes biolgicos 335 Medicamentos anticancergenos 338

xiv Contenido

14 Compuestos carbonlicos III: Reacciones en el carbono a 344

14.1 Acidez de hidrgenos a 34414.2 Tautmeros ceto-enol 34714.3 Enolizacin 34814.4 Alquilacin de iones enolato 34914.5 Adicin aldlica 35014.6 Deshidratacin de productos de adicin de aldol 35114.7 La condensacin Claisen 35214.8 Descarboxilacin de 3-cidos oxocarboxlicos 35414.9 Sntesis del ster malnico: sntesis de cidos carboxlicos 35514.10 Sntesis de ster acetoactico: sntesis de metilcetonas 35614.11 Reacciones en el carbono a en sistemas biolgicos 358

Resumen 361 Resumen de reacciones 361 Problemas 362Estrategia para solucin de problemas 347Recuadros: La sntesis de la aspirina 350

15 Determinacin de las estructuras de los compuestos orgnicos 365

15.1 Espectroscopia y espectro electromagntico 36615.2 Espectroscopia infrarroja 36715.3 Bandas de absorcin infrarroja caractersticas 36915.4 La intensidad y forma de las bandas de absorcin 37115.5 Bandas de absorcin CH 37215.6 Ausencia de bandas de absorcin 37415.7 Identificacin de espectros infrarrojos 37415.8 Espectroscopia RMN 37615.9 Apantallamiento o proteccin 37715.10 El nmero de seales en el espectro RMN 1H 37815.11 Desplazamientos qumicos 37915.12 Posiciones relativas de seales RMN 1H 38115.13 Valores caractersticos de desplazamientos qumicos 38215.14 Integracin de seales RMN 38415.15 Desdoblamiento de las seales 38615.16 Ms ejemplos de espectros RMN 1H 38815.17 Constantes de acoplamiento 39015.18 Espectroscopia RMN 13C 392

Resumen 397 Problemas 397Estrategia para solucin de problemas 370, 391, 395Recuadros: Nikola Tesla (1856-1943) 377 Formacin de imgenes por resonancia magntica 396

16 Carbohidratos 40716.1 Clasificacin de carbohidratos 40816.2 Configuraciones D y L 40916.3 Configuraciones de aldosas 41016.4 Configuraciones de cetosas 41216.5 Reacciones oxidacin-reduccin de monosacridos 41216.6 Elongacin de cadena: la sntesis Kiliani-Fischer 41416.7 Estereoqumica de la glucosa: la prueba de Fischer 41516.8 Estructura cclica de monosacridos: formacin hemiacetal 41716.9 Estabilidad de la glucosa 41916.10 Formacin de glicsidos 420

Contenido xv

16.11 Azcares reductores y no reductores 42116.12 Disacridos 42216.13 Polisacridos 42416.14 Algunos derivados de carbohidratos que se encuentran en la naturaleza 42716.15 Carbohidratos en las superficies celulares 42916.16 Edulcorantes sintticos 430

Resumen 431 Resumen de reacciones 432 Problemas 432Recuadros: 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 43417.1 Clasificacin y nomenclatura de los aminocidos 43517.2 Configuracin de los aminocidos 43817.3 Propiedades cido-base de los aminocidos 43917.4 El punto isoelctrico 44117.5 Separacin de los aminocidos 44217.6 Enlaces peptdicos y enlaces disulfuro 44417.7 Estructura de las protenas 44817.8 Determinacin de la estructura primaria de un pptido o de una protena 44817.9 Estructura secundaria de las protenas 45217.10 Estructura terciaria de las protenas 45417.11 Estructura cuaternaria de las protenas 45617.12 Desnaturalizacin de las protenas 45617.13 Estrategia de la sntesis del enlace peptdico: proteccin-N y activacin-C 456

Resumen 459 Problemas 459Estrategia para solucin de problemas 449Recuadros: 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 46218.1 Reacciones que se catalizan por enzimas 46218.2 Mecanismo de la glucosa-6-fosfato isomerasa 46318.3 Mecanismo de la aldolasa 46518.4 Coenzimas y vitaminas 46618.5 Niacina: la vitamina necesaria para muchas reacciones de oxidacin-reduccin 46718.6 Vitamina B2 47018.7 Vitamina B1 47118.8 Vitamina H 47218.9 Vitamina B6 47418.10 Vitamina B12 47518.11 cido flico 47618.12 Vitamina K 478

Resumen 479 Problemas 480Estrategia para solucin de problemas 473Recuadros: 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

xvi Contenido

19 La qumica del metabolismo 48219.1 Digestin 48319.2 ATP (trifosfato de adenosina) 48419.3 Catabolismo de grasas 48619.4 Catabolismo de carbohidratos 48819.5 El destino del piruvato 49119.6 Catabolismo de protenas 49219.7 El ciclo del cido ctrico 49419.8 Fosforilacin oxidativa 49719.9 Anabolismo 497

Resumen 497 Problemas 498Estrategia para solucin de problemas 491Recuadros: 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 50020.1 cidos grasos 50120.2 Ceras 50320.3 Grasas y aceites 50320.4 Jabones, detergentes y micelas 50720.5 Fosfolpidos 50920.6 Terpenos 51220.7 Vitaminas A y D 51420.8 Esteroides 51520.9 Esteroides sintticos 517

Resumen 518 Problemas 518Recuadros: 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 52021.1 Nuclesidos y nucletidos 52021.2 cidos nucleicos 52421.3 El ADN es estable, el ARN se divide con facilidad 52621.4 Biosntesis del ADN: replicacin 52721.5 El ADN y la herencia 52821.6 Biosntesis del ARN: transcripcin 52821.7 ARN 52921.8 Biosntesis de protenas: traduccin 53021.9 Por qu el ADN contiene timina en lugar de uracilo 53321.10 Cmo determinar la secuencia de las bases del ADN 53421.11 Reaccin en cadena de la polimerasa (PCR, por sus siglas en ingls) 53621.12 Ingeniera gentica 537

Resumen 538 Problemas 539Recuadros: 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 losherbicidas 538

Contenido xvii

22 La qumica orgnica de los frmacos:Descubrimiento y diseo 541

22.1 Nombres de los medicamentos 54422.2 Compuestos lderes 54422.3 Modificacin molecular 54522.4 Investigacin aleatoria 54722.5 La casualidad en el desarrollo de frmacos 54922.6 Receptores 55022.7 Resistencia a los frmacos 55322.8 Modelacin molecular 55422.9 Frmacos antivirales 55522.10 Economa de los medicamentos Reglamentacin gubernamental (en EU) 555

Resumen 556 Problemas 556Recuadros: Seguridad con los frmacos 548 Medicamentos hurfanos 556

Apndices A1I 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

xviii

Prefacio

Al instructorEl principio rector al escribir este libro fue elaborar un texto que permitiera a los estudiantes verla qumica orgnica como una ciencia emocionante y comprender por qu es importante. Nodeben creer que el estudio de la qumica orgnica implica solamente memorizar molculas yreacciones. 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 manerahasta 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 qumicaorgnica 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 lamedicina (como en las suturas absorbibles, el colesterol y las enfermedades cardiacas, ola sangre artificial); en la agricultura (como los herbicidas resistentes, la lluvia cida, lospesticidas: naturales y sintticos); en la nutricin (como las grasas trans, tasa metablicabasal, 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 estudiantesdeberan 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 seconcentran en temas biorgnicos. Al escribir el captulo sobre espectroscopia, no quise quelos 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 suscomentarios, los positivos son ms estimulantes, pero los crticos son ms tiles.

Caractersticas pedaggicasProblemas, 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 respectoal 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 manerade 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 problemasmarcados con rombos se encuentran al final del libro, de manera que el alumno pueda ponera prueba de inmediato su aprendizaje.

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 unreto 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 conceptosestudiados 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 margenrecuerdan los principios ms importantes y condensan los puntos cruciales para facilitarsu 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 cidorico; 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 lospuntos 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 pararesaltar y organizar la informacin, no simplemente para mostrarlas. Trat de hacer que loscolores 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. Cadacaptulo 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 formade 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 recursosPara 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 leayuda a utilizar de manera eficiente su tiempo de preparacin de clases, as como mejorarsus presentaciones en clase y actividades de evaluacin. Este recurso contiene todas las fi-

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 permiteencontrar 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 lespermite a los profesores crear y confeccionar exmenes a la medida de sus necesidades ocrear cuestionarios en lnea para entrega en WebCT, Blackboard o CourseCompass.

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 manuscritoArdeshir Azadnia, Michigan State UniversityDebbie Beard, Mississippi State UniversityJ. Phillip Bowen, University of North Carolina-GreensboroTim Burch, Milwaukee Area Technical CollegeDana Chatellier, University of DelawareMichelle Chatellier, University of DelawareLong Chiang, University of Massachusetts-LowellJan Dekker, Reedley CollegeOlga Dolgounitcheva, Kansas State UniversityJohn Droske, University of Wisconsin-Stevens PointEric Enholm, University of FloridaGregory Friestad, University of VermontWesley Fritz, College of DupageRobert Gooden, Southern UniversityMichael Groziak, California State University-HaywardSteve Holmgren, Montana State UniversityRobert Hudson, University of Western OntarioRichard Johnson, University of New HampshireAlan Kennan, Colorado State UniversitySpencer Knapp, Rutgers UniversityMike Nuckols, North Carolina State UniversityEd Parish, Auburn UniversityMark W. Peczuh, University of ConnecticutSuzanne Purrington, North Carolina State UniversityCharles Rose, University of Nevada-RenoPreet Saluja, Triton CollegeJoseph Sloop, United States Military AcademyRobert Swindell, University of ArkansasAmar Tung, Lincoln UniversityKraig Wheeler, Delaware State UniversityRandy Winchester, Grand Valley State UniversityMark Workentin, University of Western OntarioEncargados del grupo de enfoqueArdeshir Azadina, Michigan State UniversityGregory L. Baker, Michigan State UniversityJay Brown, Southwest Minnesota State UniversityJerry Easdon, College of OzarksNancy Gardner, California State University-Long BeachCyril Parkanyi, Florida Atlantic UniversityBob Swindell, University of ArkansasKathleen Trahanovsky, Iowa State University

CorrectoraSusan Schelble, University of Colorado-Denver

Mi ms profundo agradecimiento a la editora, Nicole Folchetti, quien siempre estuvolista 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

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 qumicaorgnica a esta obra; Timothy Murphy, asistente editorial, que arm un destacado grupo derevisores para el manuscrito y atendi docenas de cosas a la vez; Kristen Kaiser, gerentede 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 lasimgenes nuevas, y Dave Theisen, director nacional de ventas, ha sido, como siempre, uncampen, 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 queme 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 encuentrasecciones que se debieran depurar o ampliar, por favor hgamelo saber. Finalmente, agra-dezco enormemente a Susan Schelbel de la University of Colorado, Denver, quien examincuidadosamente 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 BruiceUniversity of California, Santa Barbarapybruice@chem.ucsb.edu

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 temapor 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 contieneinformacin que quiz quiera consultar a lo largo del curso. Los resmenes de captulo y dereacciones 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 usteddebera 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 seescribieron para consolidar las categoras de informacin tiles, cercirese de ver qu clasede 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. Considerea las notas al margen como una oportunidad de que la autora le proporcione recordatoriospersonales 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 lasEstrategias para solucin de problemas colocadas en diferentes partes del texto, pues lebrindan 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 SE ATRASE! La qu-mica orgnica se compone de una buena cantidad de sencillos pasos muy fciles de dominaruno 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 orgnicaera 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 loaprendido 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 cadacosa. Si comprende las razones subyacentes a la reactividad, puede pronosticar la mayorade 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 demasiadomaterial 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 vezen cuando ser necesario memorizar algunas cosas. Es necesario aprenderse ciertas reglasfundamentales, 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 aapreciar 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 melo haga saber.

Paula Yurkanis Bruicepybruice@chem.ucsb.edu

Para el estudiante

Problemas resueltos y ejercicios de prcticaA lo largo del texto se le ejercita en los pasos necesarios para resolver un tipo de problema enparticular.

Las Estrategias para solucin de problemas decada captulo demuestran cmo abordar unavariedad de problemas, organizar suspensamientos y mejorar su capacidad pararesolverlos. Cada estrategia va seguida por unejercicio que le permite practicar de inmediato laestrategia recin analizada.

La primera edicin de Fundamentos de Qumica orgnica, de Paula Yurkanis Bruice, convierte la qumica orgnica en unaciencia emocionante y especialmente importante para los estudiantes que toman este curso. Escrito en el estilo propio de laautora, 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 enlos principios predominantes y conceptos quesuelen resultar especialmente complicados paralos estudiantes.Estos problemas evolucionan desde losproblemas de prctica que incorporan el materialaprendido en las secciones individuales haciaotros ms complicados, que lo obligarn a pensaren trminos del material estudiado en todo elcaptulo.

Un fuerte sabor bioorgnico que muestra cmola qumica orgnica forma parte integral de labiologa y tambin de nuestra cotidianidad. Hayms de 100 recuadros de inters especial queexponen la relevancia de esta ciencia para loscampos de la medicina, agricultura, nutricin yla vida que compartimos en este planeta. Elfuerte sabor bioorgnico de todo el texto incitaa los estudiantes a reconocer que la qumicaorgnica y la bioqumica no son entidadesdisociadas, sino dos partes del continuo delconocimiento. Este material se encuentra en loscuadros de inters especial, secciones especficasde captulo y captulos que enfocan la atencinen temas bioorgnicos. En la parte interna de lapasta delantera se encuentra una lista completade los cuadros de inters especial.

ESTRATEGIA PARA SOLUCIN DE PROBLEMAS

La (S)-alanina es un aminocido de origen natural. Trace su representacin empleando unafrmula 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

CH3HOOC

+

C

NH3

HOOC

+

C

NH3

H

+

C

CH3CHCOO

+NH3alanina

RESISTENCIA A LOS HERBICIDASEl 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 sintetizarfenilalanina y triptofano, aminocidos necesarios para su creci-miento. Se estn realizando estudios con el maz y el algodn quehan sido sometidos a la ingeniera gentica para que toleren dichoherbicida. Entonces, cuando los campos de cultivo se rocan conglifosato, se extermina la maleza pero no las cosechas. A stas seles ha incorporado un gen que produce una enzima que hace inacti-vo al glifosato al acetilarlo con acetil-CoA.

Maz sometidoa la ingenieragentica paraque resista elherbicidaglifosato alacetilarlo.

glifosatoun herbicida

O O

OC P enzimaNH

O O

N-acetilglifosatoinofensivo para las plantas

O OO

C

OC PN

O O+

O

CCH3

+ 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; elpKa 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 esun cido mucho ms fuerte que H2O, Br2 es una base mucho ms dbil que HO2. (Recuerdeque mientras ms fuerte sea el cido, ms dbil es su base conjugada). Por tanto, Br2 es mejorgrupo saliente que el HO2, lo que hace que CH3Br sea mucho ms reactivo que CH3OH.

CH3OHCH3+OH2 CH3OHCH3Br

xxiv

Pedagoga mejorada

LO

M

S

D

ES

TA

CA

DO

Resmenes finales de captuloRepasan los principales conceptosdel captulo de una manera concisa y descriptiva.

Resumen de reaccionesEstas secciones registran, parasu repaso, las reaccionesincluidas en el captulo. Lasreferencias cruzadas facilitan lalocalizacin de las seccionesque abarcan tipos de reaccionesespecficos.

Las notas al margen hacen hincapi en los principios importantes yrecapitulan los puntos clave para facilitar el repaso y recordar a losestudiantes 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 oster es suficientemente cido como para ser removido por unabase fuerte, porque la base que se forma cuando el protn seremueve se estabiliza por deslocalizacin de su carga negativaen el oxgeno. Los aldehdos y cetonas (pKa 5 16-20) son mscidos 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 enolatode un ster ataca al carbono del carbonilo de una segunda mo-lcula de ster, lo que elimina un grupo 2OR para formar unb-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 stermalnica; 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 qumicay a las personas que contribuyeron a sta.

y q q ( g )cuentan con sustituyentes en las posiciones apropiadas, por lo que no pueden unirse coneficiencia a la enzima. Por ejemplo, la fumarasa cataliza la adicin del agua al fumarato (elismero trans), pero no al maleato (el ismero cis).

El comportamiento de una enzima es como el de un guante derecho, que slo quedabien 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 alH+ en lugar de fumarasa?

b) Cul sera el producto de la reaccin de maleato y H2O si se utilizara como catalizador alH1 en lugar de fumarasa?

H2O+

OOC COO

H

fumarasano hay reaccin

HC 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 dedistinta manera con cada enantimero.Un zapato que es quiral, queda bienslo 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

ClCH3C

O

CH3C

O

+

se expulsa la base ms dbil

disociacin de protn

base ms dbilformacin de intermediario tetradrico

Mecanismos precisos y completosEste texto incluye centenares demecanismos de reaccin completos,integrados a la prosa del texto, con el fin de inducir su verdaderacomprensin y no slo sumemorizacin.

Mecanismosde reaccin

Emil Fischer (1852-1919) naci enuna villa cerca de Colonia, Alemania.Se convirti en qumico contra losdeseos de su padre, un exitosocomerciante quien quera queingresara al negocio familiar. Fueprofesor de qumica en lasUniversidades de Erlangen, Wrzburgy Berln. En 1902 recibi el PremioNobel en Qumica por su trabajoacerca de los azcares. Durante laPrimera Guerra Mundial organiz laproduccin qumica alemana. Dos desus 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 RCR R

1. CH3MgBr2. H3O

+

OH

CH3

O

C

R HC1. CH3MgBr2. H3O+

OH

CH3

O

HC

R

O

HC

H

1. CH3MgBr

2. H3O+

CH3CH2OH

xxv

Visualizacin

Uno de los mayores desafos que enfrentan los estudiantes de qumica orgnica radica en la naturalezafrecuentemente abstracta del tema. Para ayudarle a visualizar mejor los conceptos importantes, hemosdesarrollado un notable trabajo esquemtico en papel y en el sitio Web Companion que acompaaneste 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 quy cmo ocurren las reacciones. Utilcelos para entender por qu algunasmolculas y iones se comportan de cierta manera.

Esquemas moleculares

formaldehdo

acetaldehdo

acetona

A lo largo de libro hay estructuras tridimensionales para brindarle unaidea ms exacta de la forma de lasmolculas orgnicas.

glicina

leucina

aspartame

lisina

Globos de dilogo, que le ayudarn aconcentrarse en los puntos importan-tes de discusin.

Un nuclefilo reacciona con un electrfilo.

son electrfilos porque puedenaceptar un par de electrones

CH3CH2H++

estos son nuclefilos porque tienenun par de electrones para compartir

Cl H2OHO CH3NH2

Un tomo o molcula rica en electrones se denomina nuclefilo. Un nuclefilo tiene unpar 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 bsquedade 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 delenlace 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 mapasd i l l i d l 2 b l i 4 3) P l ibl

xxvi

VIS

UA

LIZ

AC

IN

Y M

UL

TIM

ED

IAMultimedia

Tutorial interactivo y galeras conanimacin, resaltan los conceptos centralesde cada captulo e ilustran los mecanismosclave. A veces los tutoriales permiten que elestudiante elija opciones incorrectas yluego le explica por qu existe unarespuesta mejor.

Sitio Web Companioncon GradeTrackerhttp://www.prenhall.com/bruice

Centenares de recursos del libro de texto y en lnea estn disponibles enun solo CD-ROM/DVD, que incluye imgenes y tablas, tutorialesinteractivos, animaciones y modelos moleculares tridimensionales. Losesquemas fijos se encuentran en formato JPEG para su fcilimportacin, ya sea a presentaciones de PowerPoint (con o sin notas deconferencia) o a formato de Adobe PDF para impresin en altaresolucin. Los objetos tipo Web se ejecutan directamente del CD-ROM/DVD en su navegador de Internet, aun sin que se encuentreconectado. El navegador MediaPortfolio incluido le permite navegar pormedio 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 demodelos moleculares tridimensionales de loscompuestos apuntados en el captulo. Usted puedegirar y comparar modelos, cambiar surepresentacin y examinar la superficie del mapade potencial electrosttico, una manera nica deaprender qumica orgnica en Internet.

Los Ejercicios y cuestionarios de prcticacontienen ejercicios nuevos que ponen a prueba lacomprensin del material. Cada pregunta incluyeuna pista con referencia cruzada a una lectura deltexto y retroalimentacin detallada. ConGradeTracker los estudiantes pueden abordar losproblemas y dar seguimiento a su progreso a lolargo del semestre. Los instructores pueden tomarestas calificaciones en cualquier momento delsemestre.

xxvii

xxviii

Acerca de la autora

Paula Yurkanis Bruice vivi en Massachusetts, Alemania y Suiza principalmente, segradu 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 Medicinade la Universidad de Virginia, y recibi una mencin postdoctoral en el Departamento deFarmacologa en Facultad de Medicina en Yale.

Forma parte del cuerpo docente de la Universidad de California, Santa Brbara, dondese 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 principalinters 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 yotro abogado. Sus principales pasatiempos son la lectura de novelas de misterio/suspensoy sus mascotas (dos perros, dos gatos y un loro).

Paula Bruice y Zeus

Etano Eteno

Etino

Para sobrevivir, los primeros seres humanos tuvieron quedistinguir las diferencias entre dos tipos de materiales enel 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 lanaturaleza de dicha diferencia. Creyeron que los compuestos derivados de losorganismos vivos contenan una inconmensurable fuerza vital, la esencia dela vida. Y puesto que procedan de los organismos, se les llam compuestosorgnicos. 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 nopodan 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 quese 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 unorganismo vivo y, por supuesto, sin ayuda de alguna clase de fuerza vital. Qued claro quelos 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 quecontienen carbono? Porque casi todas las molculas que hacen posible la vida (protenas,enzimas, vitaminas, lpidos, carbohidratos y cidos nucleicos) contienen carbono; de talmodo, las reacciones qumicas que tienen lugar en los sistemas vivos, incluyendo nuestrospropios 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-

CNH2

OcalorNH4 OCN

cianato de amonio H2Nurea

+

Estructura electrnica y enlaces covalentes

1

El qumico alemn Friedrich Whler(1800-1882) comenz su vidaprofesional como mdico y luego seconvirti en profesor de qumica en laUniversidad de Gttingen. Whlerdescubri el hecho de que dossustancias qumicas distintas podantener la misma frmula molecular.Tambin desarroll mtodos depurificacin para el aluminio, en eseentonces, el metal ms costoso de latierra, y el berilio.

1

2 C A P T U L O 1 Estructura electrnica y enlaces covalentes

NATURAL Y SINTTICOHay quienes consideran que algo natural, hechoen la naturaleza es mejor que lo sinttico, hecho en

el laboratorio. Cuando un qumico sintetiza un compuesto, comola penicilina o el estradiol, este es exactamente igual en todos losaspectos que el compuesto elaborado en la naturaleza. A veceslos qumicos pueden superar a la naturaleza. Por ejemplo, los qu-

micos han sintetizado sustancias similares a la morfina, que tienensus mismos efectos analgsicos, pero a diferencia de sta, no ge-neran adiccin. Los qumicos han sintetizado sustancias anlogas ala penicilina que no generan las respuestas alrgicas que experimen-ta una significativa parte de la poblacin, adems esta penicilinano presenta resistencia bacteriana, como el antibitico de origennatural.

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 nuncaencontrados en la naturaleza, incluyendo telas sintticas, plsticos, caucho sinttico, medi-camentos e incluso cosas como la pelcula fotogrfica y los sper pegamentos. Muchos deestos compuestos sintticos evitan la escasez de los productos de origen natural. Porejemplo, se calcula que si no se contara con los materiales sintticos para la elaboracin deropa, se tendra que utilizar toda la tierra cultivable de Estados Unidos para la produccinde algodn y lana necesaria slo para vestirnos. En la actualidad, se conocen cerca de 16millones 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 ala izquierda del carbono tienden a ceder electrones, mientras que los que se encuentran a suderecha tienden a captarlos (seccin 1.3).

Puesto que el carbono est al centro, no cede ni acepta electrones con facilidad; mejor loscomparte. 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 unaamplia 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 serompen cuando dos tomos ya no los comparten. La facilidad con la que se forma o rompeun enlace depende de los electrones especficos que se comparten, lo que a su vez dependede 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 estructuradel 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 enun 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 estcargado de forma positiva. Los electrones tienen carga negativa. Puesto que la magnitud dela carga positiva de un protn es igual a la de la carga negativa de un electrn, un tomo esneutro porque tiene el mismo nmero de protones y electrones. Los tomos pueden ganar

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 unacarga 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 1,800veces 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 losque forman los enlaces qumicos.

El nmero atmico de un tomo es igual al nmero de protones en su ncleo. Tambines 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. Todoslos 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 tienenel mismo nmero de neutrones. Por ejemplo, 98.89% de los tomos de carbono de origennatural tienen seis neutrones, lo que les da un nmero de masa de 12, y 1.11% tienen sieteneutrones, lo que les da un nmero de masa de 13. Estos dos distintos tipos de tomos decarbono (l2C y l3C) 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 14C, que tieneseis 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 transcurrepara que la mitad de los ncleos decaiga). Mientras una planta o animal tienen vida, absor-ben 14C, como tambin lo secretan o exhalan. Al morir, dejan de absorberlo, de manera quela cantidad de 14C en el organismo se reduce lentamente. Por lo tanto, es posible determi-nar la edad de una sustancia orgnica mediante su contenido de 14C.

La masa atmica de un elemento de origen natural es igual a la masa promedio de sustomos. La masa molecular de un compuesto es igual a la suma de los pesos atmicos detodos 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 querodean al ncleo. Los electrones se distribuyen en dichas capas de acuerdo con una teoradesarrollada por Einstein. La primera capa es la ms cercana al ncleo; la segunda quedams 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 unorbital atmico s; la segunda, de los orbitales atmicos s y p; y la tercera tiene los orbitalesatmicos 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, dNmero de orbitales atmicos 1 1, 3 1, 3, 5Nmero mximo de electrones 2 8 18

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 orbitals, 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 primeracapa, 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 cincod) 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 energaes menor. Comparando los orbitales de la misma capa, se observa que un orbital s tienemenos 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 energaque 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 endireccin opuesta con ).

A partir de estas dos reglas, se pueden asignar electrones a los orbitales atmicos de lostomos que contienen uno, dos, tres, cuatro o cinco electrones. El nico electrn del tomode 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 delos 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 necesariauna tercera regla:

3. Cuando hay dos o ms orbitales con la misma energa, un electrn se alojar en unorbital 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 delelemento

Nmeroatmicotomo 1s 2s 2px 2py 2pz 3s

H Hidrgeno 1He Helio 2Li Litio 3Be Berilio 4B Boro 5C Carbn 6N Nitrgeno 7O Oxgeno 8F Flor 9Ne Nen 10Na Sodio 11

Cuanto ms cercano est el orbital al ncleo, menor es su energa.

Seccin 1.3 Enlaces inico y covalente 5

ALBERT EINSTEINAlbert Einstein (1879-1955) es uno de los fsicos ms famosos del siglo XX. Einsteinnaci 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 elcumplimiento 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 tenerun colapso nervioso por la ausencia de su familia y que no le quedaba nada por ensearle. Con eltiempo, se le pidi que abandonara la escuela debido a su mala conducta. El folclore popular diceque la dej debido a sus malas calificaciones en latn y griego, aunque sus notas en dichas materiaseran 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 alpresidente 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 fueprobada 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. Eloctavo electrn de un tomo de oxgeno forma un par con el electrn que ocupa un orbital2p 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 electronesde 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 propiedadesqumicas 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 peridicaen la parte interna de la pasta posterior de este libro). De esta manera, el comportamientoqumico 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. Busqueel 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 tomoes 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

6 C A P T U L O 1 Estructura electrnica y enlaces covalentes

a) b)

Figura 1.1a) Cloruro de sodio cristalino.b) Los iones de cloro ricos en electrones estn en color rojo, los iones de sodio pobres enelectrones 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 unidaslas 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 estateora 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 quedacon una capa externa llena, es decir, una configuracin estable. Por lo tanto, el litio pierdeun electrn con relativa facilidad. El sodio (Na) tiene un solo electrn en su orbital 3s, porlo que tambin pierde un electrn con facilidad.

Al dibujar los electrones que rodean un tomo, como en las siguientes ecuaciones, no seincluye a los electrones de capa interna; slo se muestran los electrones de valencia porqueslo stos se utilizan para establecer enlaces. Cada electrn de valencia se representa conun 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 problema4). En consecuencia, acepta con facilidad un electrn con el fin de completar una capa ex-terna de ocho electrones.

Enlace inicoPuesto 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 desodio con carga positiva y los iones de cloro con carga negativa se mantienen unidos por laatraccin de las cargas opuestas (figura 1.1). Un enlace es una fuerza de atraccin entredos tomos. Un enlace que se forma como resultado de la atraccin de cargas opuestas seconoce como enlace inico.

Cl +Na Cl

Cl +Na Cl

Cl +Na+Na

cloruro de sodio

enlace inico

+ e

Cl + eF F

Cl

Li +Li+ e

Na +Na+ e

Seccin 1.3 Enlaces inico y covalente 7

Enlace covalenteEn vez de ceder o aceptar electrones, un tomo puede llenar (o completar ocho electronesen) 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 quese forma como resultado de compartir electrones se conoce como enlace covalente.

Dos tomos de