QUÍMICA ORGÁNICA

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CAPITULO COMPLETO DE QUÍMICA ORGÁNICA, CON TEMAS DE: ALCANOS, ALQUENOS, ALQUINOS, NOMENCLATURA DE LA IUPAC...COLEGIO AMERICANO DE SAN CARLOS...tango/tango

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QUÍMICA ORGÁNICA

  1. 1. Capítulo 19 Química orgánica C O N T E N I D O 19.1 Propiedades generales de las sustancias orgánicas e inorgánicas 19.2 Alcanos: los hidrocarburos saturados 19.3 Uso de fórmulas estructurales 19.4 Un lenguaje universal: nomenclatura de la IUPAC 19.5 Alquenos y alquinos: hidrocarburos insaturados 19.6 Hidrocarburos aromáticos 19.7 Alcoholes 19.8 Fenoles Desde los productos plásticos desechables hasta las fibras de polímero para trajes de baño, prendas de vestir elegantes y alfombras, las sustancias químicas orgánicas están en todas 19.9 Éteres partes. Las botellas de plástico que aquí se muestran tienen letras y símbolos que indican su composición para fines de reciclamiento. 19.10 Aldehídos y cetonas 19.11 Ácidos carboxílicos S e conocen más de 24 millones de compuestos que contienen carbono. La quími- y ésteres ca orgánica se define simplemente como la química de casi todos estos com- puestos que contienen carbono. En cambio, la química inorgánica comprende la 19.12 Aminas y amidas química de todos los demás elementos y de aproximadamente 600 000 compuestos inorgánicos. La química orgánica se refería originalmente al estudio de los compuestos de car- bono que están presentes en los organismos vivos o que son producidos por ellos, lo que incluye sustancias de origen ya sea vegetal o animal. Fue necesario expandir la definición de orgánico cuando los químicos descubrieron que es factible producir ciertos compuestos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos. También es posible sinteti- zar muchos compuestos orgánicos que en nada se parecen a los compuestos presentes en los organismos vivos. 577
  2. 2. 578 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Un reducido número de compuestos que contienen carbono se clasifican como com- puestos inorgánicos. Entre éstos se cuentan el CO, el CO2 y los compuestos que contienen el ion CO32 , el ion bicarbonato, HCO3 , y el ion cianuro, CN , porque los compuestos que contienen estos iones tienen propiedades semejantes a las de otros compuestos inor- gánicos. Casi todas las sustancias químicas orgánicas que utilizamos se derivan de com- puestos presentes en el petróleo, el gas natural y la hulla, e incluyen combustibles, fibras sintéticas, plásticos, resinas, medicinas, materiales de construcción, etc. Entre los com- puestos orgánicos presentes en los organismos vivos están los carbohidratos, los lípidos (grasas y compuestos afines), aminoácidos, proteínas, vitaminas, hormonas y enzimas. El uso ordinario del término orgánico da lugar a mucha confusión. El fertilizante orgánico y el abono son orgánicos en el sentido original de que provienen de organis- mos vivos. No existe una definición jurídica federal de los alimentos orgánicos, pero el Departamento de Agricultura de Estados Unidos ha formulado una serie de normas pa- ra asegurar que los alimentos rotulados como orgánicos sean cultivados y manejados sin utilizar plaguicidas, hormonas ni aditivos sintéticos (Fig. 19.1). Por ser tan grande el número de los compuestos orgánicos, éstos se agrupan en clases o familias con características estructurales y de tipos de enlaces semejantes. En este capítu- lo se examinarán ejemplos de una extensa variedad de importantes compuestos orgánicos. 19.1 Propiedades generales de las sustancias orgánicas e inorgánicas En la tabla 19.1 se presenta una lista de algunas propiedades específicas del cloruro de so- dio, un compuesto inorgánico, y del hexano, un compuesto orgánico. Considera las com- paraciones siguientes de las sustancias químicas orgánicas e inorgánicas representativas. Punto de fusión. Los compuestos orgánicos representativos tienen puntos de fusión relativamente bajos. Muchos de ellos, como el hexano y el etanol (alcohol etílico), son líquidos a temperatura ambiente. En cambio, casi todas las sales inorgánicas tienen pun- tos de fusión elevados. Solubilidad y densidad. La mayor parte de los compuestos orgánicos son insolu- bles en agua pero solubles en líquidos orgánicos. (Los compuestos orgánicos polares de Figura 19.1 La palabra masa molar pequeña y los que forman puentes de hidrógeno fuertes son solubles en orgánico tiene varios significados. agua.) En su mayoría, los líquidos orgánicos son menos densos que el agua y, al igual (a) Los alimentos orgánicos son que el aceite, flotan sobre ella cuando se intenta disolverlos. los que se producen sin emplear Inflamabilidad. Los compuestos orgánicos representativos son inflamables, algunos plaguicidas, hormonas ni aditivos de ellos en muy alto grado. Algunos, como la gasolina, por ejemplo, forman mezclas sintéticos. (b) La química orgánica explosivas con el aire y no se deben utilizar cerca de una flama abierta. Los compues- es la química de los compuestos tos inorgánicos representativos no son inflamables; incluso algunos de ellos, como el de carbono: fibras sintéticas y agua y el bicarbonato de sodio, se emplean para combatir incendios. naturales, medicamentos que se venden con o sin receta médica, plásticos, combustibles, Tabla 19.1 Comparación de un compuesto orgánico con uno inorgánico disolventes y muchos productos más. Hexano Cloruro de sodio (orgánico) (inorgánico) Fórmula C6H14 NaCl Solubilidad en agua Insoluble Soluble Solubilidad en gasolina Soluble Insoluble Inflamable Sí No Punto de fusión 95°C 801°C Punto de ebullición 69°C 1413°C 3 Densidad 0.66 g cm 2.7 g cm3 (cristales) Enlaces Covalentes Iónicos
  3. 3. 19.2 • Alcanos: los hidrocarburos saturados 579 Enlazamiento. Las propiedades representativas de los compuestos orgánicos están relacionados con el hecho de que se componen de moléculas con enlaces covalentes. El compuesto inorgánico típico es iónico. Recuerda que las soluciones acuosas de com- puestos iónicos conducen una corriente eléctrica; en cambio, las soluciones acuosas de sustancias moleculares —aquéllas que tienen enlaces covalentes—, son no conductoras. EJEMPLO 19.1 Orgánico contra inorgánico Al investigar un aditivo para gasolina de automóvil, se encontró que era inflamable y tenía un punto de ebullición bajo de 64°C. El líquido resultó ser soluble en agua, pero no condujo una corriente eléctrica. Clasifica la sustancia como orgánica o como inor- gánica. SOLUCIÓN Estas propiedades coinciden con las de muchos compuestos orgánicos de peso molecular pequeño. (Un análisis ulterior mostró que la sustancia en cuestión era en efecto metanol, CH3OH.) EJERCICIO 19.1 Véanse los problemas 19.1-19.8. (a) Critica este reclamo publicitario: “Compre nuestra vitamina C Naturalmente Buena. Es orgánica. Es real.” (b) ¿Todas las sustancias orgánicas provienen de organismos vivos? Explica tu res- puesta. 19.2 Alcanos: los hidrocarburos saturados Antes de comprender las grandes y complejas moléculas que constituyen el fundamento de la vida, es necesario aprender un poco acerca de las moléculas orgánicas más sencil- las. Comenzaremos con las moléculas orgánicas que contienen sólo dos elementos: car- bono e hidrógeno. Estos compuestos se llaman hidrocarburos. En la sección 8.12 se describieron los enlaces covalentes del hidrocarburo más sencillo, el metano, CH4. Re- cuerda que la forma del metano es tetraédrica (Fig. 19.2). El metano es el primer miembro de una serie de compuestos afines conocidos co- mo los alcanos, que son hidrocarburos saturados. Saturado significa, en este caso, que cada átomo de carbono del compuesto está unido a otros cuatro átomos mediante enlaces sencillos. (Los hidrocarburos que tienen enlaces dobles o triples pertenecen a otras fa- milias y se estudian en secciones subsiguientes.) Figura 19.2 Molécula A continuación se muestran las fórmulas estructurales de los dos alcanos más senci- tetraédrica del metano, CH4. Las llos, el metano y el etano, cuyas fórmulas moleculares son CH4 y C2H6, respectivamente. líneas continuas representan enlaces covalentes; las líneas punteadas muestran el tetraedro. Metano Etano Las fórmulas estructurales no muestran con exactitud la geometría tridimensional de las moléculas. Los ángulos de enlace de estos alcanos —y de todos los demás—, son de 109.5°. Sin embargo, y a diferencia de las fórmulas moleculares, las fórmulas estructu- rales muestran el orden en que se unen los átomos. La figura 19.3 muestra modelos de esferas y palos y de semiesferas del metano y del etano. El alcano de tres átomos de carbono, C3H8, se llama propano. En la figura 19.4 se muestran modelos del propano, y su fórmula estructural aparece al margen.
  4. 4. 580 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Figura 19.3 Modelos de esferas y palos y de semiesferas del metano (a) y del etano (b). Figura 19.4 Modelos de esferas y palos y de semiesferas del propano. Tabla 19.2 Prefijos que Ahora comienza a hacerse aparente una regla. Se pueden construir alcanos de la lon- indican el número de gitud que sea con sólo unir átomos de carbono en largas cadenas y agregar los átomos de átomos de carbono hidrógeno suficientes para que cada átomo de carbono tenga cuatro enlaces covalentes. de las moléculas Incluso los nombres de estos compuestos siguen una regla. En el caso de los compuestos orgánicas de cinco átomos de carbono o más, la raíz del nombre de cada uno proviene del nombre en griego o latín del número de átomos de carbono de la molécula, como se muestra en Prefijo Número la tabla 19.2. El sufijo, -ano, indica que el compuesto es un alcano. La tabla 19.3 mues- Meth- 01 tra las fórmulas estructurales y los nombres de los primeros diez alcanos de cadena con- tinua; es decir, de los alcanos en los que cada átomo de carbono está unido a no más de Et- 02 dos átomos de carbono adicionales. No hay por qué detenerse en diez átomos de carbo- Prop- 03 no; los alcanos pueden contener 100 o 1000 o más de un millón de átomos de carbono. But- 04 Se puede preparar un número enorme de alcanos con sólo alargar la cadena, pero ésta no Pent- 05 es la única opción. Con cuatro átomos de carbono o más, la cadena se puede ramificar. Por ejemplo, el butano, C4H10, hierve a 0.5°C y su fórmula estructural es Hex- 06 Hept- 07 Oct- 08 Non- 09 Dec- 10 Otro compuesto tiene la misma fórmula molecular, C4H10, pero hierve a 12°C. La fórmu- la estructural de este segundo compuesto es diferente de la fórmula del butano. En vez de tener cuatro átomos de carbono unidos formando una cadena continua, este nuevo compuesto tiene una cadena continua de sólo tres átomos de carbono, y el cuarto átomo de carbono forma una ramificación en el carbono medio de la cadena de tres carbonos, como se muestra al margen. Los compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferentes fórmulas estructurales se llaman isómeros. Debido a que este alcano ramificado de cuatro átomos
  5. 5. 19.2 • Alcanos: los hidrocarburos saturados 581
  6. 6. 582 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Figura 19.5 Modelos de esferas y palos y de semiesferas del butano (a) y del isobutano (b). de carbono es un isómero del butano, su nombre es isobutano. La figura 19.5 muestra modelos de los dos isómeros: butano e isobutano. El número de isómeros aumenta rápidamente con el número de átomos de carbono, como se indica en la tabla 19.3. Hay tres pentanos, cinco hexanos, nueve heptanos, y así sucesivamente. La isomería es común en los compuestos de carbono, y es una de las ra- zones por las que existen millones de compuestos orgánicos. El propano y los butanos son combustibles muy conocidos (Fig. 19.6). Aunque son gases a las temperaturas ordinarias y a la presión atmosférica normal, se licuan bajo pre- sión, y se venden en recipientes a presión. Las mezclas de estos gases se venden como gas licuado de petróleo (llamado gas LP o LPG). La gasolina es una mezcla de hidro- carburos de 5 a 12 átomos de carbono. Veamos de nuevo la tabla 19.3. Observa que la fórmula molecular de cada alcano de la tabla difiere de la que le antecede en exactamente un átomo de carbono y dos áto- mos de hidrógeno, es decir, en un grupo CH2. Las series de compuestos de este tipo tienen propiedades que varían de forma regular y predecible; sus miembros reciben el nombre de homólogos. Los alcanos son homólogos de fórmula general CnH2n 2. En vez de estudiar la química de una cantidad apabullante de compuestos de carbono individuales, los químicos orgánicos estudian algunos miembros de una serie homóloga y deducen de ellos las propiedades de otros compuestos de la serie. Considera un punto adicional antes de dejar atrás la tabla 19.3: No se han aislado todos los isómeros posibles de las moléculas más grandes. De hecho, la tarea se torna cada vez más difícil a medida que se avanza a lo largo de la serie. Existen, por ejemplo, más de 4000 millones de isómeros posibles de fórmula molecular C30H62. Propiedades físicas de los alcanos En la tabla 19.4 se presentan algunas propiedades físicas de los primeros 20 alcanos. Advierte el incremento más o menos regular del punto de fusión, del punto de ebulli- ción y de la densidad a medida que aumenta el número de átomos de carbono (y la ma- sa molar). Como se muestra en la tabla, a temperatura ambiente los alcanos de 1 a 4
  7. 7. 19.2 • Alcanos: los hidrocarburos saturados 583 Figura 19.6 El propano y el butano son combustibles comunes. (a) Soplete de propano. (b) Encendedor de butano. átomos de carbono son gases, los alquenos de 5 a 16 átomos de carbono son líquidos, y los que tienen más de 16 átomos de carbono son sólidos. La densidad de los alcanos líquidos es menor que la del agua (1.0 g mL). Estos compuestos son no polares y son prácticamente insolubles en agua, por lo cual flotan sobre ella. Los alcanos suelen emplearse como disolventes para disolver sustancias poco polares, como grasas, aceites y ceras. Propiedades químicas de los alcanos Desde el punto de vista químico, los alcanos son los compuestos orgánicos menos reac- tivos de todos. Por lo general no reaccionan con los ácidos fuertes (como el ácido sul- fúrico), las bases fuertes (como el hidróxido de sodio), la mayor parte de los agentes oxidantes (como el dicromato de potasio) y casi todos los agentes reductores (como el sodio metálico). Los alquenos sufren algunas reacciones muy importantes, entre ellas la de combustión. El gas natural (principalmente metano) es uno de los combustibles fósiles más importantes. A continuación se muestra la ecuación de la reacción de combustión del metano. CH4(g) 2 O2(g) → CO2(g) 2 H2O(g) Calor El gas en cilindros —principalmente propano— se emplea como combustible en al- gunos hogares, en los asadores portátiles, y para soldar tubos de cobre. El butano es el combustible de los encendedores de bolsillo. La gasolina, el queroseno y el combustible de aviación son mezclas de hidrocarburos que se obtienen del petróleo. Además de arder en oxígeno, los alcanos reaccionan con el cloro y el bromo para formar halogenuros de alquilo como el bromuro de metilo, CH3Br. ❚ ❚ Conexión con el mundo real El bromuro de metilo se ha utilizado CH4(g) Br2(l) → CH3Br(g) HBr(g) desde hace mucho tiempo como ingrediente de herbicidas e Los halogenuros de alquilo se utilizan para sintetizar muchos otros compuestos. En la insecticidas aunque se investigan figura 19.7 se muestran los nombres y modelos de varios halogenuros de alquilo. posibles sustitutos menos riesgosos.
  8. 8. 584 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Tabla 19.4 Propiedades físicas de algunos alcanos Densidad del líquido Fórmula Punto de Punto de a 20°C Nombre molecular fusión (°C) ebullición (°C) (g mL) Metano CH4 183 162 (Gas) Etano C2H6 183 89 (Gas) Propano C3H8 190 42 (Gas) Butano C4H10 138 0 (Gas) Pentano C5H12 130 36 0.626 Hexano C6H14 95 69 0.659 Heptano C7H16 91 98 0.684 Octano C8H18 57 126 0.703 Nonano C9H20 54 151 0.718 Decano C10H22 30 174 0.730 Undecano C11H24 26 196 0.740 Dodecano C12H26 10 216 0.749 Tridecano C13H28 6 235 0.757 Tetradecano C14H30 6 254 0.763 Pentadecano C15H32 10 271 0.769 Hexadecano C16H34 18 280 0.775 Heptadecano C17H36 22 302 (Sólido) Octadecano C18H38 28 316 (Sólido) Nonadecano C19H40 32 330 (Sólido) Eicosano C20H42 37 343 (Sólido) EJEMPLO 19.2 Alcanos Cita nombres de alcanos de tres, cuatro, cinco, seis, siete y ocho átomos de carbono. SOLUCIÓN Número de átomos Nombre del Número de Nombre del de carbono alcano átomos de carbono alcano 3 Propano 6 Hexano 4 Butano 7 Heptano 5 Pentano 8 Octano EJERCICIO 19.2 (a) Cita los nombres de cuatro alcanos que son gases a temperatura ambiente. (b) Cita nombres de alcanos líquidos de 5, 6, 7 y 8 átomos de carbono.
  9. 9. 19.3 • Uso de fórmulas estructurales 585 Figura 19.7 Modelos de esferas y palos y de semiesferas de algunos halogenuros de alquilo. 19.3 Uso de fórmulas estructurales En la sección precedente se utilizaron fórmulas estructurales que muestran líneas que corresponden a todos los enlaces covalentes presentes en una molécula. Una fórmula estructural proporciona más información que una fórmula molecular. Por ejemplo, la fórmula molecular C4H10 no indica si se trata del butano o del isobutano, pero las fórmulas estructurales que se mostraron en la sección 19.2 permiten distinguir entre estos dos compuestos al mostrar el orden de unión de los átomos. Se necesita mucho espacio para mostrar fórmulas estructurales completas en una página impresa; por esta razón, los químicos suelen emplear fórmulas estructurales condensadas. Las estructuras condensadas muestran los átomos de hidrógeno en segui- da de los átomos de carbono a los que están unidos. Las siguientes son las fórmulas es- tructurales condensadas de los dos butanos. Estas estructuras se simplifican aún más omitiendo las líneas de enlace horizontales. EJEMPLO 19.3 Fórmulas estructurales y estructurales condensadas Dibuja la fórmula estructural y la fórmula estructural condensada del heptano. SOLUCIÓN El nombre de heptano nos indica que el compuesto es un alcano (-ano) con siete (hept-) átomos de carbono. Primero muestra una cadena de siete átomos de carbono unidos por enlaces sencillos. C—C—C—C—C—C—C
  10. 10. 586 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Cada átomo de carbono debe tener cuatro enlaces covalentes; por tanto, agrega suficientes átomos de hidrógeno a la cadena de átomos de carbono para que cada uno de ellos tenga cuatro enlaces. Para escribir la forma condensada, muestra mediante un subíndice el número de átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de carbono. Advierte que el carbono de cada extremo tiene tres átomos de hidrógeno, en tanto que los carbonos intermedios tienen cada uno sólo dos átomos de hidrógeno. CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Hay cuatro grupos CH2 consecutivos; por tanto, también se puede escribir la estructura como sigue. CH3(CH2)5CH3 Véanse los problemas 19.9 y 19.12. EJERCICIO 19.3 (a) Dibuja la fórmula estructural y la fórmula estructural condensada del pentano. (b) Dibuja la fórmula estructural condensada del heptano. 19.4 Un lenguaje universal: nomenclatura de la IUPAC Con el propósito de poner orden en la caótica forma de nombrar los compuestos recién descubiertos, la International Union of Pure and Applied Chemistry o IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) celebró en 1892 la que habría de ser la pri- mera de una serie de reuniones sobre nomenclatura, es decir, sobre un sistema para asig- nar nombres. Este congreso estableció reglas formales para nombrar los compuestos. Aquí se resumen algunas reglas fundamentales para asignar nombre a los alcanos. 1. Los nombres de los miembros individuales terminan en -ano, lo que indica que son alcanos. En la tabla 19.3 se muestran los nombres de los miembros de cadena con- tinua de hasta 10 átomos de carbono. 2. Los nombres de los alcanos de cadena ramificada se componen de dos partes. La parte final del nombre se toma de la cadena continua más larga de átomos de car- bono presente en el compuesto. En ocasiones se hace referencia a esta cadena co- mo el compuesto padre. Por ejemplo, el compuesto cuya estructura es se nombra como un derivado del pentano porque la cadena continua más larga tie- ne cinco átomos de carbono. La segunda parte del nombre sería pentano. 3. La primera parte del nombre se forma mediante prefijos que indican los grupos unidos a la cadena padre. Si el grupo unido contiene sólo átomos de carbono y de hidrógeno unidos por enlaces sencillos, se trata de un grupo alquilo. La raíz alqu-
  11. 11. 19.4 • Un lenguaje universal: nomenclatura de la IUPAC 587 indica que estos grupos son similares a los alcanos; la terminación -ilo indica que un grupo de átomos está unido a cierta cadena padre. El nombre de un grupo alqui- lo específico se deriva del alcano que tiene el mismo número de átomos de car- bono. Por ejemplo, el grupo de un átomo de carbono derivado del metano es Su nombre es grupo metilo. ❚ El grupo alquilo derivado del etano es ❚ Conexiones médicas El dimetilmercurio, CH3—Hg—CH3, es sumamente tóxico. Unas cuantas gotas derramadas accidentalmente por Karen Wetterhahn, profesora de química del Dartmouth College, resultaron letales pese a que ella usaba guantes de látex. Su nombre es grupo etilo. ❚ Del propano se derivan dos grupos alquilo. ❚ El cloruro de etilo alivia el dolor. Uno de ellos es el grupo propilo. Advierte que la unión corresponde al átomo de Cuando se rocía sobre un área carbono terminal de la cadena de tres carbonos. lesionada, se siente un frío congelante, lo que anestesia el tejido. El otro grupo alquilo derivado del propano es el grupo isopropilo, que se une por el átomo de carbono intermedio y se representa como sigue. Hay muchos otros grupos alquilo. La tabla 19.5 muestra aquéllos que encontrarás con más frecuencia. Observa que el número de átomos de hidrógeno de cada grupo alquilo es uno menos que el del alcano correspondiente. La extracción de un átomo de hidrógeno deja libre una posición donde el grupo alquilo se puede unir a una cade- na padre o a otro grupo. 4. La ubicación de los grupos sustituyentes (grupos alquilo u otros grupos) en la cade- na más larga se designa mediante números arábigos. Por ejemplo, para asignar nom- bre al compuesto que se representa mediante la estructura
  12. 12. 588 CAPÍTULO 19 • Química orgánica
  13. 13. 19.4 • Un lenguaje universal: nomenclatura de la IUPAC 589 primero se identifica la cadena continua más larga. Esta cadena tiene seis átomos de carbono; por tanto, se considera al compuesto como un derivado del hexano. El grupo unido a la cadena es un grupo metilo, CH3—, y está en el segundo átomo de carbono de la cadena padre. El nombre de este com- puesto es 2-metilhexano. Siempre numera la cadena padre a partir del extremo más próximo al sustituyente. Si hay más de dos sustituyentes, y si los sustituyentes más próximos a cada extremo de la cadena principal se encuentran equidistan- tes de los extremos, numera a partir del extremo más próximo al primer punto de diferencia. 5. Cuando hay dos o más grupos idénticos unidos a la cadena principal, se necesita un número para especificar la ubicación de cada sustituyente. Además, es preciso indi- car si hay dos, tres o cuatro grupos idénticos unidos a la cadena padre. Esto se hace empleando prefijos: di- para dos, tri- para tres y tetra- para cuatro. Si hay dos gru- pos idénticos unidos a un mismo átomo de carbono, se debe repetir el número por cada grupo. ❚ Conexión con el aprendizaje Advierte que en los nombres IUPAC que aquí se muestran se emplean comas para separar unos números de otros, y guiones para separar números de palabras. ❚ ❚ ❚ Conexión con el mundo real Los grupos deben aparecer en orden alfabético —etilo antes de metilo, y así suce- La importancia del 2, 2, 4-trimetil- sivamente—, de acuerdo con las reglas de la IUPAC, como aquí se muestra. pentano se explica en el recuadro “Gasolina e índices de octano” en esta sección. etil La mejor manera de aprender a nombrar estructuras orgánicas es resolver ejerci- cios, no sólo memorizar reglas. Es más fácil de lo que parece. Haz la prueba con los si- guientes. EJEMPLO 19.4 Nomenclatura de alcanos Escribe el nombre IUPAC del compuesto que se representa mediante la fórmula.
  14. 14. 590 CAPÍTULO 19 • Química orgánica LA QUÍMICA EN ACCIÓN Gasolina e índices de octano La gasolina es una mezcla de cientos de compuestos volátiles —hidrocarburos casi todos— que se obtiene de la refinación del petróleo crudo. En las refinerías, el petróleo crudo se separa en fracciones por destilación, con base en los puntos de ebullición, arde de modo uniforme, y se le asignó un índice de octano de 100. como se muestra en la tabla. No hay suficiente gasolina de desti- Al heptano, que arde con mucha detonación, se le asignó un índi- lación directa (la que se obtiene directamente por destilación) ce de octano de 0. A las mezclas de gasolina se les asignan índices para satisfacer la gran demanda, y su calidad no cumple con los de octano u octanajes con base en la comparación de su comporta- requisitos que exigen los motores actuales de los automóviles. A miento con el isooctano y el heptano. Así, por ejemplo, la gasolina fin de satisfacer estas demandas, las refinerías utilizan procesos que tiene las mismas características detonantes que una mezcla de de craqueo (pirólisis) térmico y catalítico para romper las molécu- 87% de isooctano y 13% de heptano se le asigna un índice de oc- las grandes y convertir los alcanos de cadena lineal en moléculas tano de 87. En casi todas las estaciones de gasolina se expenden de cadena ramificada, que son más deseables. combustibles con índices de octano de 87, 89 y 92. Las moléculas más pequeñas y de cadena lineal comprimi- El índice de octano de la gasolina se puede aumentar con das por un émbolo a las altas temperaturas del motor tienden a una mayor proporción de hidrocarburos de mayor octanaje o de encenderse con demasiada facilidad, es decir, durante la com- moléculas de cadena ramificada, y también agregando mejora- presión y antes de ser encendidas por una bujía. Esto provoca dores del índice de octano. El etanol, con un octanaje de 108, y una vibración y ruido que se conoce como cascabeleo, detona- el éter metil tert-butílico, con un octanaje de 116, son dos mejo- ción o preencendido. radores del índice de octano y agentes antidetonantes comunes. El índice de octano de una muestra de gasolina en particular La próxima vez que llenes de gasolina el tanque de tu auto, es una medida de su capacidad para arder de manera uniforme, piensa en la química de los combustibles. Los expertos afirman sin detonación. Los ensayos han demostrado que el 2,2,4- tri- que, si el motor no cascabelea, no necesitas un combustible de metilpentano, llamado isooctano y cuya estructura es mayor octanaje. Fracción del Átomos de Intervalo de petróleo carbono por molécula ebullición (°C) Usos Mezcla gaseosa De C1 a C4 Menos de 20 Combustible de propano, gas LP y gas en cilindros Gasolina de destilación directa De C5 a C12 De 30 a 200 Combustible para motores Queroseno, combustóleo De C12 a C18 De 180 a 350 Combustible para aviones a reacción, combustible Diesel, combustible para hornos Lubricantes C18 y más 350 y más Lubricantes, material para craqueo Parafina C20 y más Sólidos de bajo punto de fusión Velas, papel encerado Asfalto C40 y más Residuos viscosos Revestimiento de caminos, alquitrán para techos
  15. 15. 19.4 • Un lenguaje universal: nomenclatura de la IUPAC 591 SOLUCIÓN La cadena continua de carbono más larga tiene cinco átomos de car- bono. Hay dos grupos metilo unidos al segundo y tercer átomos de carbono (no al tercero y cuarto). Asigna a estos grupos metilo los números más pequeños posibles, contando a partir de un extremo. El nombre correcto es 2,3-dimetilpentano. EJERCICIO 19.4 (a) Dibuja la fórmula estructural condensada del 1-bromo-2-etilbutano. (b) Dibuja la fórmula estructural condensada del 1-cloro-2-etil-2-metilbutano. EJEMPLO 19.5 Nomenclatura de alcanos Escribe el nombre IUPAC del compuesto que se representa mediante la fórmula SOLUCIÓN El nombre IUPAC es 2,4-dimetilhexano, no 2-etil-5-metilpentano. ¡Aquí puedes caer en una trampa! El compuesto progenitor es la cadena continua más larga, no necesariamente la cadena dibujada en sentido horizontal en la página. En el caso de esta estructura, la cadena más larga contiene seis átomos de carbono, no cinco. EJERCICIO 19.5 (a) Escribe el nombre IUPAC del compuesto que sigue. (Selecciona la cadena conti- nua más larga a la que está unido el halógeno.) (b) Escribe el nombre IUPAC del compuesto que se representa mediante la fórmula EJEMPLO 19.6 Estructuras complejas Escribe el nombre IUPAC del compuesto que se representa mediante la fórmula
  16. 16. 592 CAPÍTULO 19 • Química orgánica SOLUCIÓN Hay un grupo tert-butilo (consulta la tabla 19.5) que aparece encima de la cadena más larga. Este grupo se nombra, en orden alfabético (con base en la “b” de butilo), antes del grupo metilo que se muestra debajo de la cadena padre. El nombre correcto es 4-tert-butil-4-metiloctano. Véanse los problemas 19.13-19.16. EJERCICIO 19.6 (a) Dibuja la estructura del 4-isopropil-2-metilheptano. (b) Dibuja la estructura del 1,1-dicloro-3-isopropil-2-metilhexano. 19.5 Alquenos y alquinos: hidrocarburos insaturados Dos átomos de carbono pueden compartir más de un par de electrones. En el eteno (su nombre común es etileno), C2H4, los dos átomos de carbono comparten dos pares de electrones para formar un doble enlace, como se muestra aquí y en la figura 19.8. Figura 19.8 Modelos de esferas El eteno es el primer miembro de una familia de hidrocarburos conocidos como alque- y palos y de semiesferas del etileno. nos (advierte la terminación -eno). Todo alqueno contiene un doble enlace carbono-car- bono. En la tabla 19.6 se presentan los nombres, estructuras y propiedades físicas de varios alquenos. El eteno (etileno) es el producto químico orgánico comercial más importante. La producción anual de Estados Unidos es de alrededor de 23 000 millones de kg. Aproxi- madamente el 45% del etileno se destina a la fabricación de polietileno, uno de los plásti- cos más conocidos (Fig. 19.9). Otro 15% más o menos se convierte en etilenglicol, que es el componente principal de las marcas más comunes de anticongelante para radiadores de automóvil. El propeno (su nombre común es propileno) es el segundo alqueno de la tabla de al- quenos. Se utiliza en la fabricación de polipropileno y de otros plásticos, alcohol iso- propílico (alcohol para fricciones corporales), propilenglicol y muchos otros productos químicos. Dos átomos de carbono también pueden compartir tres pares de electrones para for- mar un triple enlace entre dos átomos de carbono, como en el etino, C2H2, conocido por Tabla 19.6 Propiedades físicas de algunos alquenos Figura 19.9 Diversos productos de consumo, como agua, leche y Punto de Punto de jugo de naranja, se venden en Nombre de Fórmula Estructura fusión ebullición recipientes de polietileno. la IUPAC molecular condensada (°C) (°C) Eteno C2H4 — CH2 — CH2 169 104 Propeno C3H6 CH3CH — CH2 — 185 47 1-Buteno C4H8 — CH3CH2CH — CH2 185 6 1-Penteno C5H10 CH3CH2CH2CH — CH2 — 138 30 1-Hexeno C6H12 — CH2 CH3(CH2)3CH — 140 63 1-Hepteno C7H14 CH3(CH2)4CH — CH2 — 119 94 1-Octeno C8H16 CH3(CH2)5CH — CH2 — 102 121
  17. 17. 19.5 • Alquenos y alquinos: hidrocarburos insaturados 593 lo común como acetileno. A continuación se muestra su estructura; en la figura 19.10 se muestran modelos de bolas y palos y de semiesferas. H—C—C—H — El etino es el primer miembro de una familia de hidrocarburos conocidos como alqui- nos. Todo alquino contiene un triple enlace carbono-carbono. Alrededor del 10% del acetileno que se produce en Estados Unidos se utiliza en los sopletes oxiacetilénicos para cortar y soldar metales. La mayor parte del acetileno, sin embargo, se convierte en otros intermediarios químicos, es decir, en sustancias químicas que se utilizan para ela- borar muchos otros productos. Existen reglas específicas de la IUPAC para nombrar los alquenos y alquinos. Al- gunas de las reglas más fundamentales de la IUPAC para asignar nombre a los alquenos Figura 19.10 Modelos de son las siguientes. esferas y palos y de semiesferas del acetileno. 1. Los nombres de los alquenos terminan en -eno. La terminación -dieno se aplica a los alquenos con dos dobles enlaces. 2. La cadena más larga de átomos de carbono que contiene el doble enlace es el com- puesto padre. El nombre base de esta cadena es el mismo que el del alcano, pero con la terminación -eno. Por ejemplo, el nombre base de una cadena de cuatro áto- mos de carbono con un doble enlace es buteno. 3. Los átomos de carbono del compuesto padre se numeran a partir del extremo de la cadena más próximo al doble enlace. La ubicación del doble enlace se designa em- pleando como prefijo el número del primer átomo de carbono del doble enlace. El compuesto CH3CH — CHCH2CH3, por ejemplo, tiene el doble enlace entre el se- — gundo y el tercer átomos de carbono. Su nombre es 2-penteno. 4. Los grupos sustituyentes se nombran conforme a los métodos descritos para los al- canos. Por ejemplo, el compuesto es el 5-metil-2-hexeno. Observa que el doble enlace recibe el número más pequeño posible, incluso cuando ello obliga a asignar a un grupo sustituyente un número ma- yor. Se dice que el doble enlace tiene prioridad en la numeración. Estas reglas se aprenden más fácilmente por medio de ejemplos. EJEMPLO 19.7 Nomenclatura de alquenos Escribe el nombre del compuesto cuya estructura es SOLUCIÓN La cadena continua más larga de la estructura contiene cinco átomos de carbono, pero la cadena continua más larga que contiene el doble enlace incluye sólo cuatro átomos de carbono. Esta cadena de cuatro carbonos funge como el compuesto padre, y se numera de derecha a izquierda a fin de asignar al doble enlace el número más pequeño posible.
  18. 18. 594 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Hay un grupo etilo unido al átomo de carbono número 2. El nombre de este compuesto es 2-etil-1-buteno. EJERCICIO 19.7 (a) Dibuja la estructura del 5-bromo-4-metil-2-hexeno. (b) Nombra el compuesto cuya estructura es Isomería cis-trans Los átomos y los grupos de átomos giran libremente en torno a los enlaces sencillos, como lo indican los modelos de los alcanos, pero no ocurre lo mismo en el caso de los dobles enlaces. Como lo indican los modelos representados en la figura 19.11, el se- gundo y tercer átomos de carbono del 2-buteno no pueden girar con libertad —uno con respecto al otro— en el doble enlace. (El doble enlace se simboliza en la figura median- te dos conexiones curvas entre átomos de carbono.) Por consiguiente, las dos disposi- ciones del 2-buteno que se muestran en la figura 19.11 representan en realidad dos compuestos distintos, con geometrías diferentes. Un compuesto no se puede convertir en el otro sin antes romper el doble enlace. Se aplica el prefijo cis- o trans- a cada nom- bre para distinguir los dos isómeros. El isómero cis es el que tiene los dos grupos idénticos del mismo lado (arriba o abajo) del doble enlace. En el isómero trans, los grupos idénticos están en lados opuestos del doble enlace. Los puntos de fusión, los puntos de ebullición y otras propiedades físicas de estos isómeros son diferentes, pues se trata de sustancias distintas. La mera presencia de un doble enlace —con su rotación restringida—, no significa que siempre habrá isómeros cis y trans. Los isómeros de este tipo deben tener además dos grupos diferentes en cada uno de los átomos de carbono que participan en el doble enlace. Aunque el 2-buteno tiene isómeros cis y trans, no los tienen el 1-buteno, CH2 — Figura 19.11 Modelos de esferas y palos y de semiesferas de los 2-butenos. En tanto que los átomos de carbono unidos por enlaces sencillos giran libremente en torno a estos enlaces, los átomos de carbono unidos por dobles enlaces están restringidos en su movimiento.
  19. 19. 19.5 • Alquenos y alquinos: hidrocarburos insaturados 595 CH CH2CH3, ni el propeno, CH2 — CHCH3, porque el carbono número 1 de estos com- puestos contiene dos grupos idénticos: dos átomos de hidrógeno en ambos casos. EJEMPLO 19.8 Isomería cis-trans Dibuja las estructuras y escribe los nombres IUPAC de todos los compuestos de fórmula C2H2Cl2. SOLUCIÓN Dado que hay dos átomos de carbono y un total de sólo cuatro susti- tuyentes (2 átomos de H y 2 de Cl), debe haber un doble enlace entre los átomos de car- bono. Primero, dibuja el esqueleto de los carbonos unidos por un doble enlace. Ahora, coloca los 2 átomos de H y los dos de Cl en todas las disposiciones geométricas diferentes y nombra las estructuras. Hay tres isómeros distintos. Hay un solo isómero 1,1-dicloro-, pero dos isómeros 1,2-dicloro- (los compuestos B y C), que se distinguen con el prefijo cis o trans. EJERCICIO 19.8 (a) Dibuja las estructuras del cis-2-penteno y del trans-2-penteno. (b) Nombra el compuesto cuya estructura es No obstante que la isomería cis y trans puede parecer en un principio de poca im- portancia práctica, no todo es como parece ser. Por ejemplo, la mosca doméstica hembra ❚ Conexión con el mundo real secreta cis-9-tricoseno para atraer al macho, el cual muestra poca o ninguna afinidad • Aroma de zorrillo Uno de los por el isómero trans. olores más repugnantes que están presentes en el almizcle de zorrillo corresponde al trans-2- buten-1-tiol, que es en esencia una molécula de trans-2-buteno con un grupo —SH en el primer átomo de carbono. • Hoy en día se considera que los sustitutos de mantequilla con dobles enlaces con isomería cis son mejores para la salud humana De hecho, en casi todos los sistemas biológicos la geometría de las moléculas tiene una que los que tienen la isomería importancia capital. ❚ trans.
  20. 20. 596 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Reacciones químicas de los alquenos Al igual que los alcanos y que todos los demás hidrocarburos, los alquenos se queman, pero estos compuestos no se utilizan como combustible. Las reacciones características de los alquenos se clasifican como reacciones de adición. Durante una reacción de adi- ción se rompe uno de los enlaces del doble enlace, lo cual permite que estos átomos de carbono formen enlaces con un átomo o grupo adicional. Por ejemplo, el eteno (etileno) sufre adición de hidrógeno en presencia de un catalizador de níquel, Ni, platino, Pt, o paladio, Pd, para formar etano. Los compuestos que contienen dobles enlaces carbono-carbono son insaturados; pueden incorporar hidrógeno y reaccionar con él en presencia de un catalizador adecua- do para formar un alcano. Este proceso, conocido como hidrogenación, se emplea en escala industrial para transformar los aceites vegetales insaturados (líquidos) en las gra- sas saturadas con las que se elaboran mantecas vegetales semisólidas. La diferencia en- tre el aceite líquido y la grasa sólida se debe a una diferencia en el número de dobles enlaces presentes; los aceites insaturados tienen más dobles enlaces, y las grasas satura- das tienen menos. La hidrogenación también se emplea para producir margarina, cuyas propiedades se asemejan a las de la mantequilla. Los alquenos también sufren reacciones de adición con moléculas de halógeno. Cuando el bromo reacciona con un alqueno, se produce un cambio de color definido, lo que permite utilizar esta reacción como ensayo de insaturación. En términos específi- cos, cuando se mezcla un alqueno con un disolvente que contiene una pequeña cantidad de bromo, de color rojo oscuro, el color desaparece conforme el alqueno reacciona con el bromo. La reacción del agua con un alqueno para formar un alcohol es otro tipo importan- te de reacción de adición. Esta reacción, conocida como hidratación catalizada por áci- do, requiere un ácido fuerte, como el ácido sulfúrico, H2SO4, como catalizador. Se fabrican enormes cantidades de etanol (llamado comúnmente alcohol etílico), que se utiliza como disolvente industrial, a partir de etileno. De modo análogo, el alcohol iso- propílico, que se emplea como alcohol para fricciones corporales, se prepara a partir de pro- Véanse los problemas 19.17-19.28. peno.
  21. 21. 19.5 • Alquenos y alquinos: hidrocarburos insaturados 597 Polimerización Las reacciones más importantes de los alquenos son probablemente las que tienen que ver con la polimerización. Los polímeros (del griego poly, “muchas”, y meros, “partes”) son moléculas gigantes formadas a partir de muchas moléculas pequeñas. La polime- rización del etileno para formar polietileno se representa como sigue. Las líneas punteadas de la fórmula del producto indican que la estructura se extiende muchas unidades en ambos sentidos. Advierte que los dos átomos de carbono y los cua- tro átomos de hidrógeno de cada molécula de monómero se incorporan a la estructura del polímero. En la figura 19.12 se muestran modelos del polietileno, pero cada uno re- presenta sólo una pequeña parte de una molécula real. Las moléculas de polietileno rea- les tienen un número variable de átomos de carbono; el promedio es de 6000 átomos de carbono. Mediante la sustitución de uno o más átomos de hidrógeno de la sencilla molécula del eteno por diversos grupos, se puede obtener una colección fantástica de polímeros “de adición” sintéticos. La tabla 19.7 es una lista de algunos de ellos. En esta tabla, la unidad polimérica que se repite se ha encerrado entre corchetes con enlaces que se ex- tienden hacia ambos lados. El subíndice n indica que este fragmento de molécula se re- pite un número muy grande de veces en la estructura completa del polímero. Figura 19.12 Modelos de esferas y palos y de semiesferas de un segmento de una molécula de polietileno.
  22. 22. 598 CAPÍTULO 19 • Química orgánica T
  23. 23. 19.6 • Hidrocarburos aromáticos 599 LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO Dos polietilenos El polietileno de baja densidad (LDPE, por sus siglas en inglés) tiene algunas cadenas ramificadas y forma un plástico Hay dos tipos de polietileno que son muy comunes. El polietile- menos rígido, con el que se elaboran láminas de plástico, bolsas no de alta densidad (HDLP, por sus siglas en inglés) tiene molécu- para basura, frascos compresibles para mostaza y aspersiones las lineales que se empaquetan de forma compacta y forman un nasales, y otros productos de consumo. El polietileno es el plás- plástico rígido con el que se fabrican jarras para la leche, mante- tico de uso más extendido en el mundo, con una producción quilleros, botellas de detergente y de champú, juguetes, etcétera. anual de alrededor de 40 000 millones de kg. La leche, el jugo de naranja y ciertos detergentes líquidos se expenden en recipientes de polietileno de alta densidad (a) que se identifican por el símbolo de reciclamiento que lleva el número 2 y las letras HDPE. Con el polietileno de baja densidad se hacen láminas de plástico, bolsas para basura y bolsas para emparedados (b). El símbolo de reciclamiento tiene el número 4 y las letras LDPE. ❚ Conexión con el mundo real 1 kg de tomates puede madurar Presencia de los alquenos en la naturaleza exponiéndolo a tan sólo 0.1 mg de Los alquenos se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza. Las frutas y ver- etileno durante 24 horas. duras en proceso de maduración despiden etileno, que provoca una maduración adicio- nal. Los proveedores de frutas introducen etileno por medios artificiales para acelerar el Figura 19.13 El color naranja de las zanahorias y las batatas se proceso de maduración. ❚ El aceite esencial de limón contiene 1-octeno, y en el hígado debe a la molécula de caroteno, que de los peces hay octadeceno, C18H36. El café contiene H2C — CH — CH — CH2. El li- tiene varios dobles enlaces. Los copeno y los carotenos son polienos isómeros, C40H56, que imparten coloraciones rojas, animales transforman el caroteno anaranjadas y amarillas a los tomates, zanahorias, sandías y otras verduras y frutas (Fig. en vitamina A, que es indispensable 19.13). La vitamina A, indispensable para una buena vista, es un derivado del caroteno. para el buen funcionamiento del La vitamina A se transforma en el cuerpo en trans-retineno, que absorbe la luz visible y sentido de la vista. se convierte en cis-retineno. A este proceso, que ocurre en la retina del ojo, se debe en parte el fenómeno de la visión. El mundo sería un lugar mucho más oscuro sin la química de los alquenos. 19.6 Hidrocarburos aromáticos El benceno y otros compuestos afines representan una familia más de hidrocarburos. El benceno es un líquido no polar que hierve a 80°C y flota en el agua. Este líquido pare- cido a la gasolina fue aislado por primera vez de un subproducto del aceite de ballena por Michael Faraday en 1825. La fórmula molecular del benceno es C6H6. Se pueden escribir muchas estructuras que corresponden a esta fórmula. Tres de estas estructuras son las siguientes.
  24. 24. 600 CAPÍTULO 19 • Química orgánica La sustancia real, el benceno, no tiene las propiedades que se esperaría de estas estruc- turas. Por ejemplo, si el benceno contuviera dobles o triples enlaces, sufriría reacciones de adición con facilidad, pero no es así. Establecer una estructura apropiada que explicara las extrañas propiedades del ben- ceno representó un gran reto para los químicos de la época. El químico alemán Frie- drich August Kekulé propuso la estructura anular de seis miembros que aquí se muestra (arriba a la derecha). La estructura de Kekulé, con un anillo de átomos de carbono uni- dos por enlaces sencillos y dobles alternados, y con un átomo de hidrógeno unido a cada átomo de carbono, es la mejor representación propuesta en aquella época, y es atinada en ciertos aspectos. El benceno tiene en efecto una estructura anular de seis miembros, y todos los átomos de hidrógeno son equivalentes, pero para que el benceno se comporte como lo hace no debe tener dobles enlaces ordinarios. En cambio, todos los enlaces carbono-carbono son equiva- lentes. A fin de poner de relieve esta naturaleza especial de los enlaces del anillo bencé- nico, se representa el benceno por medio de un hexágono con un círculo. En este caso, una vez más, es preciso llegar a un arreglo. No se pueden contar cuatro en- laces covalentes unidos a cada átomo de carbono cuando se utiliza un círculo dentro de una estructura hexagonal. Muchos químicos emplean el símbolo de un círculo dentro de un hexágono y también, indistintamente, las estructuras de Kekulé simplificadas que aquí se muestran. La flecha de doble punta (↔) entre las dos estructuras representa una resonancia. Esto significa que ninguna de las dos estructuras existe en realidad con enlaces dobles y sen- cillos alternados, sino que el benceno es un híbrido de resonancia de las dos estructu- ras; sus propiedades no son como las de un alqueno ni las de un alcano. La producción anual de benceno en Estados Unidos es de alrededor de 7200 millo- nes de kg. Se utiliza extensamente como disolvente y en la producción de compuestos afines. Se piensa que el benceno provoca leucemia en los trabajadores que se exponen a él por largo tiempo; por consiguiente, se ha restringido su uso. Numerosos compuestos, tanto naturales como sintéticos, contienen uno o más ani- llos bencénicos, pero la naturaleza química de estos compuestos varía ampliamente; en- tre ellos se cuentan diversos explosivos, aminoácidos y medicamentos. Los compuestos que contienen uno o más anillos bencénicos se clasifican como compuestos aromáti- cos. La parte de una molécula grande que contiene el anillo recibe el nombre de grupo
  25. 25. 19.6 • Hidrocarburos aromáticos 601 Figura 19.14 Algunos hidrocarburos aromáticos y sus derivados. arilo (su símbolo es Ar). Los hidrocarburos que no contienen anillos bencénicos se cla- sifican como compuestos alifáticos. Numerosos compuestos aromáticos se derivan del benceno por sustitución de uno o más de sus átomos de hidrógeno por diversos grupos. Por ejemplo, la sustitución de un átomo de hidrógeno por un grupo metilo produce metilbenceno, mejor conocido como tolueno. El tolueno (se muestra al margen) es un disolvente importante y materia prima para la síntesis de otros compuestos aromáticos (Fig. 19.14), por ejemplo, el explosivo conocido como TNT, que es una abreviatura de 2,4,6-trinitrotolueno. El producto de la sustitución de un átomo de hidrógeno del benceno por un grupo etilo es el etilbenceno. Este compuesto se convierte por medios químicos en estireno, que se polimeriza para fabricar poliestireno, una de cuyas formas comerciales es la co- nocida espuma de poliestireno. EJEMPLO 19.9 Compuestos aromáticos Escribe el nombre del compuesto cuya estructura molecular es SOLUCIÓN Considera este compuesto como un grupo alquilo (un grupo propilo) unido al benceno. El compuesto es propilbenceno. EJERCICIO 19.9 (a) Escribe el nombre del hidrocarburo aromático que tiene dos anillos bencénicos unidos lado con lado. Esta sustancia no polar, blanca y con aspecto de cera, se uti- liza comúnmente en forma de bolas para combatir la polilla. (b) Escribe el nombre del compuesto que se representa mediante la estructura
  26. 26. 602 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Cuando un anillo bencénico está unido a un grupo orgánico grande, es el anillo ben- cénico el que se nombra como grupo sustituyente. A este anillo se le llama grupo fenilo, y su símbolo es Así, por ejemplo, el nombre del compuesto es 2-feniloctano. Cuando hay dos sustituyentes unidos a un anillo bencénico, se debe indicar de algún modo sus posiciones relativas, para lo cual existen dos métodos. Uno de ellos es el método de la IUPAC de usar números. El otro método indica las posiciones relativas mediante los prefijos orto-, meta- y para-. El prefijo orto- se abrevia o-, e indica que los sustituyentes están en átomos de carbono adyacentes. Un compuesto orto- sustituido es un benceno 1,2-disustituido. El prefijo meta- o m- se aplica a los bencenos 1,3-disusti- tuidos, y el prefijo para- o p-, a los bencenos 1,4-disustituidos. Las cuatro estructuras que siguen representan el mismo compuesto: 1,3-dinitrobenceno o m-dinitrobenceno. El grupo —NO2 se llama grupo nitro. Conexión con el aprendizaje Las cuatro estructuras del 1,3- dinitrobenceno (m-dinitrobenceno) son equivalentes. Cuando hay tres o más sustituyentes unidos a un anillo, se debe emplear el sistema de numeración para indicar las posiciones de estos grupos. En la figura 19.14 se muestran Véanse los problemas 19.29-19.36. las estructuras y nombres de varios compuestos aromáticos. 19.7 Alcoholes Un alcohol es un compuesto orgánico que contiene un grupo hidroxilo, —OH, unido de forma covalente a un grupo alquilo. Así, por ejemplo, un grupo metilo, CH3—, unido a un grupo hidroxilo forma el alcohol CH3OH, conocido como alcohol metílico. Éste es su nombre común; su nombre IUPAC es metanol. El grupo —OH, que está presente en todos los alcoholes, es lo que se conoce como el grupo funcional. Más adelante se des- cribirá una gran variedad de compuestos con diferentes grupos funcionales. Para dar el nombre IUPAC de un alcohol, basta con agregar la letra “l” al final del nombre del alcano progenitor. Así, por ejemplo, CH3OH es metanol, y CH3CH2OH es etanol. Existen dos isómeros del propanol: uno con el grupo —OH situado en el primer átomo de carbono (1-propanol), y el otro con el grupo —OH en el átomo de carbono número 2 (2-propanol). Probablemente se reconozca más fácilmente al isómero 2-pro- panol por su nombre común: alcohol isopropílico. En forma de solución al 70% se em- plea como alcohol para fricciones corporales. Las estructuras de estos isómeros son las siguientes:
  27. 27. 19.7 • Alcoholes 603 Hay cuatro alcoholes butílicos, los cuales se forman al unirse un grupo —OH a cada uno de los cuatro grupos butilo (consulta la tabla 19.5). Todos los alcoholes pertenecen a una de tres clases, conocidas respectivamente co- mo alcoholes primarios (1º), secundarios (2º) y terciarios (3º). Estas clases se basan en el número de átomos de carbono unidos al átomo de carbono que tiene el grupo hidro- xilo. Un alcohol con la estructura se clasifica como alcohol primario porque el grupo —OH está unido a un átomo de car- bono primario, es decir, a un átomo de carbono unido a un solo grupo alquilo o arilo (y a dos átomos de hidrógeno). La estructura siguiente de un alcohol es secundaria porque el grupo —OH está unido a un átomo de carbono secundario, es decir, a uno que está enlazado a otros dos grupos alquilo o arilo y a un átomo de hidró- geno. Por último, si el grupo hidroxilo está unido a un átomo de carbono enlazado a tres grupos alquilo o arilo, el alcohol es terciario. La figura 19.15 muestra que los cuatro alcoholes butílicos se clasifican cada uno como primario, secundario o terciario. Las diferencias de reactividad de los alcoholes están relacionadas con la estructura primaria, secundaria o terciaria de la posición de unión del grupo —OH. El metanol, CH3OH (alcohol metílico), que es el alcohol más sencillo, es un líqui- do que hierve a 34°C y es muy tóxico. La ingestión de tan sólo 30 mL puede producir ceguera permanente o incluso la muerte. Los bioquímicos emplean la abreviatura LD50 para indicar la dosis, en gramos por kilogramo de peso corporal, que sería letal para el 50% de una población de animales de ensayo. En la tabla 19.8 se indica la toxicidad de algunos alcoholes. El metanol se conoce también como alcohol de madera porque se puede preparar calentando madera en ausencia de aire hasta que la madera se degrada. El vapor que se desprende durante la reacción contiene metanol —además de otras sustancias—, el cual se recoge a medida que se forma. Este proceso se denomina destilación destructiva
  28. 28. 604 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Figura 19.15 Los cuatro alcoholes butílicos y su clasificación como primarios, secundarios y terciarios. (Fig. 19.16). Para la producción de metanol en escala comercial se utiliza una reacción del monóxido de carbono con hidrógeno. CO 2 H2 → CH3OH La reacción catalizada se lleva a cabo a temperatura y presión elevadas. Cada año se producen en Estados Unidos aproximadamente 5000 millones de kg ❚ Conexión con el mundo real de metanol, el cual se utiliza como disolvente, como combustible ❚ y como materia pri- Los autos de carreras de las 500 ma para la fabricación de aditivos para combustibles, adhesivos, fibras y plásticos. Millas de Indianápolis queman El etanol, CH3CH2OH, con un punto de ebullición de 78°C, es el segundo miem- metanol. bro de la serie homóloga de los alcoholes. Es quizá mejor conocido por sus otros nom- bres: alcohol etílico y alcohol de grano. Para la confección de bebidas se utiliza alcohol producido por fermentación de granos. Al igual que el metanol y que otros alcoholes de masa molar pequeña, el etanol es tóxico. La ingestión rápida de medio litro (500 mL) de etanol puro es mortal para casi cualquier persona. Encontrarás más detalles al respecto en el recuadro sobre el alcohol etílico. Además de su uso como bebida, cada año se producen en Estados Unidos alrededor de 250 000 kg de etanol por medios sintéticos. El producto se utiliza como disolvente y como materia prima para muchos otros productos químicos. La mayor parte del etanol que se produce industrialmente se prepara por medio de la reacción del etileno con agua catalizada por un ácido. Tabla 19.8 Dosis letales orales (en ratas) de algunos alcoholes Punto de LD50 (g kg Alcohol Estructura ebullición (°C) de peso corporal) Usos Metanol CH3OH 64 * Disolvente, aditivo para combustibles Etanol CH3CH2OH 78 7.06 Disolvente, bebidas 1-Propanol CH3CH2CH2OH 97 1.87 Disolvente 2-Propanol CH3CHOHCH3 82 5.8 Disolvente, fricciones corporales 1-Butanol CH3CH2CH2CH2OH 118 4.36 Disolvente 1-Hexanol CH3(CH2)4CH2OH 156 4.59 Disolvente, plastificante Etilenglicol HOCH2CH2OH 198 8.54 Anticongelante Glicerol HOCH2CHOHCH2OH 290 (se descompone) 25 Humectante
  29. 29. 19.7 • Alcoholes 605 Figura 19.16 Aparato para la destilación destructiva de madera. La madera se calienta en un tubo cerrado, y el alcohol se condensa en el segundo tubo por efecto del agua fría del vaso. Los gases que se forman durante el proceso se pueden quemar conforme salen por el tubo de ventilación. H2SO4 CH2 — CH2 H2O → CH3CH2OH El etanol sintético tiene exactamente las mismas propiedades que el etanol elabo- rado por fermentación. El etanol sintético es más económico en general y, a diferencia de las bebidas alcohólicas, no está gravado con un impuesto especial. A fin de impedir el consumo de alcohol sintético como bebida, se le agregan sustancias tóxicas o noci- vas, como gasolina o metanol, por ejemplo. El alcohol desnaturalizado así obtenido no es apropiado para beberse. Alcoholes polihidroxilados Los alcoholes descritos hasta este punto contienen cada uno un solo grupo hidroxilo por molécula. Los alcoholes que contienen más de un grupo —OH se denominan alcoholes polihidroxilados. Un alcohol con dos grupos —OH es un diol. El diol más común es el 1,2-etanodiol, conocido en general como etilenglicol. Su estructura es la siguiente: Con una producción anual de más de 1000 millones de kg, el etilenglicol se cuenta entre las 30 sustancias químicas de mayor producción en Estados Unidos. Este líquido vis- coso que se fabrica a partir de etileno es el ingrediente ordinario del anticongelante, y se usa extensamente en la manufactura de fibras y películas de poliéster (Fig. 19.17). Los puentes de hidrógeno que se forman entre los grupos —OH de diferentes moléculas son la causa de que esta sustancia tenga un punto de ebullición relativamente alto, de 197°C, Figura 19.17 El etilenglicol es en comparación con otras sustancias de masa molar semejante. el ingrediente principal de las El glicerol, también conocido como glicerina, es un importante triol cuya estruc- soluciones anticongelantes tura es permanentes. El glicerol es un subproducto de la fabricación de jabón que se utiliza como agente humec- tante en lociones para las manos y cosméticos, y es también una importante sustancia bioquímica. Las moléculas de las grasas (lípidos) típicas son derivados del glicerol; es decir, contienen diversos grupos unidos al glicerol. Los médicos efectúan rutinariamente pruebas en muestras de sangre para determinar el nivel de triglicéridos, los cuales inclu- yen grasas sencillas y otras moléculas con tres grupos unidos a una estructura de glice- ❚ Conexión con el aprendizaje rol. ❚ Los triglicéridos y otros lípidos se Existen muchos alcoholes; aquí se han presentado sólo algunos. Todos los alcoho- estudian con más detenimiento en la les se caracterizan por la presencia de un grupo hidroxilo (—OH), al cual se deben casi sección 20.2.
  30. 30. 606 CAPÍTULO 19 • Química orgánica LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO Alcohol etílico: la bebida El etanol, CH3CH2OH, es el alcohol con el que se elaboran be- bidas y que se produce por fermentación de granos o de otros materiales que contienen azúcar o almidón. Una enzima catali- za la hidrólisis del almidón que produce unidades individuales de azúcar. La reacción de fermentación de la glucosa, un azúcar de seis átomos de carbono, es la siguiente: → levadura C6H12O6 2 CH3CH2OH 2 CO2 La fermentación del azúcar presente en las uvas produce vino. La cerveza se elabora a partir de cebada malteada y de otros cerea- les que contienen harina y que se fermentan después de darles sabor con lúpulo. El whisky se obtiene por destilación de maíz, cebada o trigo fermentado. El vodka se prepara destilando alco- hol de pasta de patatas. El ron se obtiene de la destilación de melaza fermentada de caña de azúcar. La bebida japonesa cono- cida como sake se prepara a partir de arroz. El tequila se elabora con el agave azul de una región específica de México. En todos los casos, el proceso de fermentación produce etanol. Pocas be- bidas alcohólicas tienen más de 45% de etanol, o 45°. En los países de habla inglesa se utiliza una graduación de bebidas alcohólicas llamada proof (prueba), que equivale a dos veces el porcentaje de alcohol en volumen. El término tiene su origen en un método inglés del siglo XVII para probar el conteni- El etanol es la sustancia química clave presente en la do de alcohol del whisky. El ensayo del whisky consistía en ver- cerveza, el vino, el tequila, las bebidas mezcladas y todas ter un poco de él sobre pólvora y encender ésta. Si la pólvora las demás bebidas alcohólicas. ardía después de haberse quemado el alcohol, ello se considera- ba como una “prueba” de que el whisky no contenía demasiada agua. Más de dos terceras partes de la población adulta de Esta- Correlación entre los tragos consumidos, el nivel dos Unidos consume bebidas alcohólicas al menos de forma de alcohol en la sangre y el comportamiento de ocasional. No obstante que la mayoría lo hace de modo respon- un bebedor moderado de 70 kg de peso sable, es común el uso inadecuado (y el abuso). Hay aproxima- damente 10 millones de alcohólicos en Estados Unidos que son Número Nivel de alcohol incapaces de conservar un empleo regular o de mantener rela- de “copas” en la sangre ciones familiares estables. Por añadidura, en más de la mitad de ingeridas (% en volumen) Comportamiento† los accidentes automovilísticos mortales participa al menos un 2 0.05 Efecto sedante suave: conductor ebrio. tranquilidad Por lo general, el alcohol actúa como un depresor modera- do que retarda la actividad tanto física como mental. En gran 4 0.10 Falta de coordinación cantidad produce inconciencia e incluso la muerte. En la tabla se 6 0.15 Embriaguez evidente indican los efectos característicos de diversos niveles de alcohol en la sangre, pero los efectos específicos varían para cada perso- 10 0.30 Inconciencia na, según su peso corporal, la cantidad de alimento presente en 20 0.50 Posible muerte su estómago, su experiencia como bebedor y otros factores. Los impuestos sobre bebidas alcohólicas representan alre- *Una copa es una “medida” de 30 mL de whisky de 45°, una bote- dedor de 6000 millones de dólares al año en Estados Unidos. Se lla de cerveza de 360 mL o una copa de vino de 150 mL. estima que de 100 000 a 200 000 fallecimientos son atribuibles † Un bebedor inexperto experimentará efectos más intensos, o más al alcohol cada año. El costo total para la sociedad, en términos rápidos, que una persona habituada a beber con moderación. Por el de tratamiento médico, accidentes, horas de trabajo perdidas y contrario, para un bebedor fuerte experimentado los efectos serían otros factores, se estima en más de 120 000 millones de dólares menores. al año.
  31. 31. 19.7 • Alcoholes 607 todas las reacciones características de los alcoholes. El grupo —OH es el grupo funcional de todos los alcoholes. La fórmula general de un alcohol se representa como R—OH, donde R es el símbolo del grupo alquilo. Los compuestos orgánicos y sus reacciones ca- racterísticas representativas se clasifican en función de los grupos funcionales específi- cos que contienen. La tabla 19.9 presenta una lista de los grupos funcionales orgánicos más importantes. EJEMPLO 19.10 Alcoholes Escribe un nombre de cada una de las estructuras siguientes e indica cuáles son isóme- ros estructurales.
  32. 32. 608 CAPÍTULO 19 • Química orgánica SOLUCIÓN (a) alcohol isopropílico o 2-propanol (b) alcohol isobutílico o 2-metilpropanol (c) alcohol sec-butílico o 2-butanol (d) 3-pentanol Las estructuras (b) y (c) son isómeros estructurales; ambas con alcoholes de cuatro áto- mos de carbono. Véanse los problemas 19.37-19.48. EJERCICIO 19.10 (a) Dibuja las estructuras del alcohol tert-butílico y del 2-metil-2-butanol. ¿Qué tienen en común estos dos alcoholes? (b) ¿Qué tienen en común el etilenglicol y el glicerol? 19.8 Fenoles Los compuestos que tienen un grupo hidroxilo unido a un anillo bencénico se llaman fenoles. La fórmula general de un compuesto fenólico es Ar—OH, donde Ar representa un anillo bencénico u otro grupo aromático (bencénico sustituido). El compuesto padre, C6H5OH, se llama simplemente fenol. Los fenoles han encontrado amplio uso como antisépticos (sustancias que matan mi- croorganismos en tejidos vivos) y desinfectantes (sustancias destinadas a matar microorga- nismos en muebles, pisos y en el hogar en general). El fenol —en otro tiempo conocido como ácido carbólico— fue el primer antisép- tico de uso extendido. Joseph Lister lo utilizó en 1867 para la primera cirugía antisépti- ca. El fenol se ha empleado como ingrediente de diversas pomadas y unguentos. Por desgracia, el fenol no mata sólo los organismos indeseables, sino todo tipo de células. Si se aplica sobre la piel puede provocar quemaduras graves. Ha sido sustituido casi to- talmente por antisépticos fenólicos menos peligrosos como el 4-hexilresorcinol, que se Véanse los problemas 19.49 y 19.50. utiliza en ciertos enjuagues bucales. 19.9 Éteres Se puede considerar a los alcoholes y fenoles como derivados del agua en los que uno de los átomos de hidrógeno ha sido sustituido por un grupo alquilo (—R) o arilo (—Ar). Podemos pensar en los éteres como compuestos en los que ambos átomos de hidrógeno del agua han sido sustituidos por grupos alquilo o arilo. Sus fórmulas estructurales gene- rales son las siguientes:
  33. 33. 19.10 • Aldehídos y cetonas 609 Los éteres sencillos tienen nombres sencillos. Basta con nombrar los grupos unidos al oxígeno después de la palabra éter y luego añadir la terminación -ico. Por ejemplo, el éter metil tert-butílico (que se suele abreviar MTBE, por sus siglas en inglés) se ha con- vertido en un controvertido mejorador del índice de octano de la gasolina. Su fórmula estructural es El éter dietílico, CH3CH2 — O — CH2CH3, se usó extensamente como anestésico en el pasado; su uso principal hoy en día es como disolvente. El éter dietílico disuelve mu- chas sustancias orgánicas, como grasas y aceites, por ejemplo; además, hierve a 36°C, Figura 19.18 El éter dietílico, por lo que es fácil evaporarlo para recuperar la sustancia disuelta. Con frecuencia se le antes usado extensamente como llama simplemente “éter”, y es muy inflamable. Se emplea en las latas de aerosol para anestésico, se emplea ahora en la arranque rápido de automóviles (Fig. 19.18). Siempre que se utilice esta sustancia, se industria automotriz y como solvente de grasas, aceites y otras debe tener mucho cuidado de evitar la presencia de chispas o flamas. sustancias orgánicas. En el sistema de la IUPAC, los éteres se nombran como derivados alcoxilados de los alcanos. Primero, selecciona el nombre de la cadena de carbonos más larga unida al oxígeno, y asígnale el nombre del alcano. El grupo alcoxi restante (el grupo RO—) se nombra como grupo funcional unido al alcano. Así, por ejemplo, el nombre del éter CH3 — O — CH2CH2CH3 es metoxipropano. EJEMPLO 19.11 Éteres Escribe el nombre IUPAC y la fórmula estructural del éter etil metílico. SOLUCIÓN Este compuesto tiene un grupo etilo y un grupo metilo unidos al oxígeno. Su nombre IUPAC es metoxietano. Su fórmula estructural es CH3CH2 — O — CH3 EJERCICIO 19.11 Véanse los problemas 19.51 y 19.54. (a) Escribe el nombre del alcohol que es un isómero estructural del metoximetano (éter dimetílico). (b) Dibuja la estructura del etoxietano y cita su nombre común. 19.10 Aldehídos y cetonas Los aldehídos y las cetonas son dos familias afines de compuestos orgánicos. Tanto los aldehídos como las cetonas se caracterizan por la presencia de un grupo carbonilo, es decir, de un átomo de carbono unido por un doble enlace a un oxígeno y por enlaces sen- cillos a átomos de hidrógeno o grupos alquilo (o arilo). Los aldehídos tienen al menos un átomo de hidrógeno unido al grupo carbonilo. En las cetonas, el grupo carbonilo está unido sólo a grupos alquilo (R—) o grupos arilo (Ar—).
  34. 34. 610 CAPÍTULO 19 • Química orgánica Figura 19.19 Modelos de esferas y palos y de llenado de espacios de (a) formaldehído y (b) acetaldehído. El aldehído más sencillo y de uso más extendido es el formaldehído (Fig. 19.19a). Es un gas a temperatura ambiente y se disuelve con facilidad en agua. En forma de una ❚ Conexión con el mundo real solución al 40% conocida como formalina o formol, se utiliza como líquido para em- Se desprende formaldehído gaseoso balsamar y, en ocasiones, como conservador de especímenes biológicos, pero esta sus- de diversos productos nuevos como muebles, alfombras y revestimientos tancia es tóxica. El formaldehído se utiliza extensamente en la fabricación de adhesivos de muros. Esta sustancia es irritante y plásticos. ❚ Se prepara por oxidación de metanol, y se encuentra entre los 25 produc- para el sistema respiratorio y los tos químicos de mayor producción anual en Estados Unidos. Esta reacción es básica- ojos. mente la misma que se lleva a cabo en el cuerpo humano cuando se ingiere metanol. Las ecuaciones que aquí se muestran no están balanceadas. Sólo se indican los reactivos y productos principales. El siguiente miembro de la serie homóloga de los aldehídos es el acetaldehído, CH3CHO (Fig. 19.19b). En forma lineal, el grupo aldehído se escribe como CHO. Por tanto, se puede escribir la fórmula del acetaldehído como CH3CHO. El acetaldehído se ❚ Conexión con el mundo real obtiene por oxidación de etanol. ❚ El etanol se oxida a acetaldehído en el cuerpo humano. El efecto conocido como resaca (cruda), que se experimenta cuando se ha bebido en demasía, se debe en parte a una acumulación de acetaldehído. Advierte que la oxidación de un alcohol primario produce un aldehído. Para escribir el nombre IUPAC de un aldehído, elimina la -o final del alcano padre (la cadena de carbono más larga que contiene el grupo carbonilo) y agrega la termina-

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