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Raymond Chang Quimica Organica capitulo 24
Química Industrial (Universidad Nacional de La Matanza)
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Una planta química. Muchos compuestos orgánicos
pequeños como ácido acético, benceno, etileno,
formaldehído y metanol conforman la base de las
multimillonarias industrias farmacéutica y de polímeros.
Química orgánica
Avance del capítulo
• Comenzaremos con la definición del alcance y la naturaleza de la química orgánica.
(24.1)
• A continuación examinaremos los hidrocarburos alifáticos. Primero, estudiaremos la
nomenclatura y las reacciones de los alcanos. Examinaremos el isomerismo óptico
de los alcanos sustituidos y también las propiedades de los cicloalcanos. Después,
estudiaremos los hidrocarburos insaturados, es decir, los alquenos y los alquinos,
moléculas que contienen dobles y triples enlaces carbono-carbono. Centraremos
nuestro estudio en su nomenclatura, sus propiedades y sus isómeros geométricos.
(24.2)
• Todos los compuestos aromáticos contienen uno o más anillos de benceno. En gene-
ral son más estables que muchos de los hidrocarburos alifáticos. (24.3)
• Por último, observaremos que la reactividad de los compuestos orgánicos puede
explicarse gracias a la presencia de los grupos funcionales. Clasificaremos los grupos
funcionales con contenido de oxígeno y nitrógeno en alcoholes, éteres, aldehídos y
cetonas, ácidos carboxílicos, ésteres y aminas. (24.4)
Sumario
24.1 Clases de compuestos
orgánicos
24.2 Hidrocarburos alifáticos
24.3 Hidrocarburos aromáticos
24.4 Química de los grupos
funcionales
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1028 CAPÍTULO 24 Química orgánica
La química orgánica estudia los compuestos del carbono. Los químicos del siglo xviii utilizaban
la palabra “orgánico” para describir las sustancias que se obtenían de fuentes vivas, como
plantas y animales. Estos químicos creían que la naturaleza poseía cierta fuerza vital y que sólo las
cosas vivas podían producir compuestos orgánicos. Esta concepción romántica se desechó en 1828,
cuando el químico alemán Friedrich Wöhler preparó urea, un compuesto orgánico, a partir de la
reacción de dos compuestos inorgánicos, cianato de plomo y amoniaco acuoso:
En la actualidad se conocen más de 20 millones de compuestos orgánicos sintéticos y naturales.
Este número es mucho mayor que los 100 000 o más compuestos inorgánicos que se conocen.
24.1 Clases de compuestos orgánicos
El carbono puede constituir más compuestos que ningún otro elemento, porque los átomos
de carbono tienen la capacidad de formar enlaces carbono-carbono sencillos, dobles y
triples, y también de unirse entre sí formando cadenas o estructuras cíclicas. La rama de
la química que estudia los compuestos del carbono es la química orgánica.
Las clases de compuestos orgánicos se distinguen de acuerdo con los grupos funcio-
nales que contienen. Un grupo funcional es un grupo de átomos responsable del com-
portamiento químico de la molécula que lo contiene. Moléculas diferentes que contienen
la misma clase de grupo o grupos funcionales reaccionan de manera semejante. Así, me-
diante el aprendizaje de las propiedades características de unos cuantos grupos funciona-
les, es posible estudiar y entender las propiedades de muchos compuestos orgánicos. En
la segunda mitad de este capítulo analizaremos los grupos funcionales conocidos como
alcoholes, éteres, aldehídos y cetonas, ácidos carboxílicos y aminas.
La mayor parte de los compuestos orgánicos se derivan de un grupo de compuestos
conocidos como hidrocarburos, debido a que están formados sólo por hidrógeno y car-
bono. Con base en la estructura, los hidrocarburos se dividen en dos clases principales:
alifáticos y aromáticos. Los hidrocarburos alifáticos no contienen el grupo benceno o
anillo bencénico, en tanto que los hidrocarburos aromáticos contienen uno o más de ellos.
24.2 Hidrocarburos alifáticos
Los hidrocarburos alifáticos se dividen en alcanos, alquenos y alquinos, que estudiaremos
a continuación (figura 24.1).
Cl
F
S
O
P
N
Si
C
B
H
Br
I
1A
3A
2A 4A 5A 6A 7A
8A
Elementos comunes en los com-
puestos orgánicos.
Alifáticos
Aromáticos
Hidrocarburos
Alcanos Cicloalcanos Alquenos Alquinos
Figura 24.1 Clasificación de los
hidrocarburos.
Recuerde que la unión de átomos pa-
recidos se denomina “concatenación”.
La capacidad del carbono para conca-
tenarse se analizó en la sección 22.3.
Observe que todos los hidrocarburos
satisfacen la regla del octeto.
Pb(OCN)2 1 2NH3 1 2H2O ¡ 2(NH2)2CO 1 Pb(OH)2
a
e
r
u
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24.2 Hidrocarburos alifáticos 1029
Alcanos
Los alcanos tienen la fórmula general CnH2n12, donde n 5 1, 2, … La principal caracte-
rística de las moléculas hidrocarbonadas alcanos es que sólo presentan enlaces covalentes
sencillos. Los alcanos se conocen como hidrocarburos saturados porque contienen el
número máximo de átomos de hidrógeno que pueden unirse con la cantidad de átomos de
carbono presentes.
El alcano más sencillo (es decir, con n 5 1) es el metano, CH4, que es un producto
natural de la descomposición bacteriana anaerobia de la materia vegetal subacuática.
Debido a que se recolectó por primera vez en los pantanos, el metano llegó a conocerse
como “gas de los pantanos”. Las termitas constituyen una fuente bastante inverosímil
pero comprobada de metano. Cuando estos voraces insectos consumen madera, los mi-
croorganismos que habitan en su sistema digestivo degradan la celulosa (el componente
principal de la madera) hasta metano, dióxido de carbono y otros compuestos. ¡Se calcu-
la que las termitas producen anualmente 170 millones de toneladas de metano! También
se produce en algunos procesos de tratamiento de desechos. A escala comercial, el meta-
no se obtiene del gas natural. En la sección “Química en acción” de la página 1040 se
describe un compuesto interesante formado por moléculas de metano y de agua.
En la figura 24.2 se representan las estructuras de los primeros cuatro alcanos (desde
n 5 1 hasta n 5 4). El gas natural es una mezcla de metano, etano y una pequeña can-
tidad de propano. En el capítulo 10 revisamos el esquema del enlace en el metano. En
efecto, se supone que los átomos de carbono en todos los alcanos presentan hibridación
sp3
. Las estructuras del etano y el propano son únicas dado que sólo hay una forma de
unir los átomos de carbono en estas moléculas. Sin embargo, el butano tiene dos posibles
esquemas de enlace, dando como resultado isómeros estructurales, n-butano (la n indica
normal) e isobutano, moléculas que tienen la misma fórmula molecular pero diferente
estructura. Los alcanos como los isómeros estructurales del butano se describen como de
cadena lineal o de estructura ramificada. El n-butano es un alcano de cadena lineal porque
los átomos de carbono están unidos a lo largo de una línea. En un alcano de cadena ra-
mificada, como el isobutano, uno o más átomos de carbono están unidos por lo menos a
otros tres átomos de carbono.
En la serie de los alcanos, a medida que aumenta el número de átomos de carbono,
se incrementa rápidamente el número de isómeros estructurales. Por ejemplo, el butano,
C4H10, tiene dos isómeros; el decano, C10H22, tiene 75 isómeros, y el alcano, C30H62,
¡tiene más de 400 millones, o 4 3 108
isómeros posibles! Por supuesto, la mayor parte
de estos isómeros no existe en la naturaleza ni se ha sintetizado. De cualquier manera, los
números ayudan a explicar por qué el carbono se encuentra en muchos más compuestos
que cualquier otro elemento.
El ejemplo 24.1 se refiere al número de isómeros estructurales de un alcano.
Las termitas son una fuente natural
de metano.
Figura 24.2 Estructuras de los
primeros cuatro alcanos. Observe
que el butano puede existir en dos
formas estructuralmente diferentes,
denominadas isómeros
estructurales.
H
C
Metano Etano Propano
Isobutano
n-Butano
A
O O O
A
H
H
H
H
C
A
O
O
A
H
H
O
A
A
H
H
H
C
C
A
O O
O
A
H
H
A
A
H H
H
C
O
A
A
H
H
H
C C
A
O O
O
A
H
H
A
A
H
H
H
C
O
A
A
H
H
C
A
A
H H
H
C
H
C
A
O O O
A
H
H
A
A
H H
H
C
O
A
A
H
H
C
O
OC
H
H
A
A
A
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1030 CAPÍTULO 24 Química orgánica
En la tabla 24.1 se indican los puntos de fusión y ebullición de los isómeros de ca-
dena lineal de los primeros 10 alcanos. Los primeros cuatro son gases a temperatura
ambiente, y del pentano al decano son líquidos. Al aumentar el tamaño molecular se in-
crementa el punto de ebullición porque aumentan las fuerzas de dispersión (vea la sección
11.2).
Nomenclatura de los alcanos
La nomenclatura de los alcanos y de todos los demás compuestos orgánicos se basa en
las recomendaciones de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Los
cuatro primeros alcanos (metano, etano, propano y butano) tienen nombres no sistemáticos.
Como se observa en la tabla 24.1, el número de átomos de carbono se refleja en el prefi-
jo griego de los alcanos que contienen entre cinco y 10 carbonos. A continuación aplica-
remos las reglas de la IUPAC para los siguientes ejemplos:
1. El nombre base del hidrocarburo está dado por la cadena continua más larga de áto-
mos de carbono en la molécula. Así, el nombre base del siguiente compuesto es
heptano, porque hay siete átomos de carbono en la cadena más larga.
Problema similar: 24.11.
Ejemplo 24.1
¿Cuántos isómeros estructurales se pueden identificar para el pentano, C5H12?
Estrategia Para moléculas de hidrocarburos pequeños (ocho átomos de carbono o menos),
es relativamente fácil determinar el número de isómeros estructurales por ensayo y error.
Solución El primer paso es escribir la estructura de cadena lineal:
HOCOCOCOCOCOH
H
A
A
H
H
A
A
H
H
A
A
H
H
A
A
H
H
A
A
H
n-pentano
(p.e. 36.1°C)
La segunda estructura debe ser, por necesidad, una cadena ramificada:
HOCOCO
O
OCOCOH
H
A
A
H
CH3
A
C
A
H
H
A
A
H
H
A
A
H
2-metilbutano
(p.e. 27.9°C)
También es factible otra estructura ramificada:
HOCOCO
O
OCOH
H
A
A
H
CH3
A
A
CH3
H
A
A
H
2,2-dimetilpropano
(p.e. 9.5°C)
No podemos dibujar otra estructura para un alcano cuya fórmula molecular sea C5H12.
Así, el pentano tiene tres isómeros estructurales, en los que los números de átomos de carbo-
no e hidrógeno permanecen constantes a pesar de las diferencias de estructura.
Ejercicio de práctica ¿Cuántos isómeros estructurales hay en el alcano C6H14?
n-pentano
2-metilbutano
2,2-dimetilpropano
CH3OCH2OCH2OCHOCH2OCH2OCH3
7
1 2 3 4 5 6
CH3
A
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24.2 Hidrocarburos alifáticos 1031
2. Un alcano menos un átomo de hidrógeno es un grupo alquilo. Por ejemplo, cuando
se remueve un átomo de hidrógeno del metano, queda el fragmento CH3, que recibe
el nombre de grupo metilo. De manera similar, al eliminar un átomo de hidrógeno de
la molécula de etano se forma un grupo etilo, o C2H5. En la tabla 24.2 se muestran
los nombres de varios grupos alquilo comunes. Cualquier ramificación de la cadena
más larga se nombra como un grupo alquilo.
3. Cuando se reemplazan uno o más átomos de hidrógeno por otros grupos, el nombre
del compuesto debe indicar la localización de los átomos de carbono donde se hicie-
ron los reemplazos. El procedimiento que se sigue es numerar cada uno de los átomos
de carbono de la cadena más larga en la dirección en que las localizaciones de todas
las ramificaciones tengan los números más pequeños. Considere las dos diferentes
formas para el mismo compuesto que se presentan a continuación:
4-metilpentano
2-metilpentano
CH3OCH2OCH2OCHOCH3
CH3OCHOCH2OCH2OCH3
1 3 4
2 5 1 2 4
3 5
CH3
A
CH3
A
El compuesto del lado izquierdo tiene la numeración correcta, ya que el grupo meti-
lo está localizado en el carbono 2 de la cadena del pentano; en el compuesto del lado
Número de
Nombre del Fórmula átomos de Punto de Punto de
hidrocarburo molecular carbono fusión (°C) ebullición (°C)
Metano CH4 1 2182.5 2161.6
Etano CH3OCH3 2 2183.3 288.6
Propano CH3OCH2OCH3 3 2189.7 242.1
Butano CH3O(CH2)2OCH3 4 2138.3 20.5
Pentano CH3O(CH2)3OCH3 5 2129.8 36.1
Hexano CH3O(CH2)4OCH3 6 295.3 68.7
Heptano CH3O(CH2)5OCH3 7 290.6 98.4
Octano CH3O(CH2)6OCH3 8 256.8 125.7
Nonano CH3O(CH2)7OCH3 9 253.5 150.8
Decano CH3O(CH2)8OCH3 10 229.7 174.0
Tabla 24.1 Los primeros 10 alcanos de cadena lineal
Nombre Fórmula
Metilo OCH3
Etilo OCH2OCH3
n-Propilo OCH2OCH2OCH3
n-Butilo OCH2OCH2OCH2OCH3
Isopropilo OCOH
CH3
A
A
CH3
t-Butilo* OCOCH3
CH3
A
A
CH3
Tabla 24.2 Grupos alquilo comunes
* La letra t significa terciario.
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1032 CAPÍTULO 24 Química orgánica
derecho, el grupo metilo está localizado en el carbono 4. Así, el nombre del compues-
to es 2-metilpentano y no 4-metilpentano. Observe que el nombre de la ramificación
y el nombre base se escriben como una sola palabra y que, después del número, se
coloca un guión.
4. Cuando hay más de una ramificación de grupos alquilo de la misma clase, se utilizan
los prefijos di-, tri- o tetra- antes del nombre del grupo alquilo. Considere los siguien-
tes ejemplos:
CH3OCHOCHOCH2OCH2OCH3 CH3OCH2OCOCH2OCH2OCH3
CH3
A
A
CH3
1 2 4
3 6
1 4 5
3 6
2 5
3,3-dimetilhexano
2,3-dimetilhexano
CH3
A
CH3
A
Cuando hay dos o más grupos alquilo diferentes, los nombres de los grupos se dis-
ponen alfabéticamente. Por ejemplo:
CH3OCH2OCHOCHOCH2OCH2OCH3
CH3
A
C2H5
A
4-etil-3-metilheptano
1 3 7
4 6
5
2
5. Por supuesto, los alcanos pueden tener muchos tipos diferentes de sustituyentes. En
la tabla 24.3 se incluyen los nombres de algunos sustituyentes, como el nitro y el
bromo. Así, el compuesto
CH3OCHOCHOCH2OCH2OCH3
NO2
A
Br
A
1 3 4 6
5
2
se nombra 3-bromo-2-nitrohexano. Observe que los grupos sustituyentes se disponen
alfabéticamente en el nombre, y que la cadena se numera en la dirección que da el
número más pequeño para el primer átomo de carbono sustituido.
Ejemplo 24.2
Dé el nombre de la IUPAC para el siguiente compuesto:
CH3OCOCH2OCHOCH2OCH3
CH3
A
A
CH3
CH3
A
Estrategia Seguimos las reglas de la IUPAC y utilizamos la información en la tabla 24.2
para nombrar al compuesto. ¿Cuántos átomos de C hay en la cadena más larga?
Solución La cadena más larga tiene seis átomos de C, así que el nombre base de este
compuesto es hexano. Observe que hay dos grupos metilo unidos al carbono número 2 y un
grupo metilo unido al carbono número 4.
CH3OCOCH2OCHOCH2OCH3
CH3
A
A
CH3
CH3
A
3 6
1 4 5
2
Por lo tanto, este compuesto se denomina 2,2,4-trimetilhexano.
Ejercicio de práctica Dé el nombre de la IUPAC del siguiente compuesto:
Problema similar: 24.26.
Grupo
funcional Nombre
ONH2 Amino
OF Fluoro
OCl Cloro
OBr Bromo
OI Yodo
ONO2 Nitro
OCHPCH2 Vinil
Nombres de grupos
sustituyentes comunes
Tabla 24.3
CH3OCHOCH2OCHOCH2OCHOCH2OCH3
CH3
A
C2H5
A
C2H5
A
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24.2 Hidrocarburos alifáticos 1033
El ejemplo 24.3 muestra que los prefijos como di-, tri- y tetra- se usan cuando es
necesario, pero se ignoran cuando se alfabetiza.
Problema similar: 24.27.
Los nombres sistemáticos del cloruro
de metilo, cloruro de metileno y cloro-
formo son: monoclorometano, dicloro-
metano y triclorometano,
respectivamente.
Ejemplo 24.3
Escriba la fórmula estructural del 3-etil-2,2-dimetilpentano.
Estrategia Seguimos el procedimiento anterior y la información en la tabla 24.2 para
escribir la fórmula estructural del compuesto. ¿Cuántos átomos de C hay en la cadena más
larga?
Solución El compuesto base es el pentano, así que la cadena más larga tiene cinco átomos
de C. Hay dos grupos metilo unidos al carbono número 2 y un grupo etilo unido al carbono
número 3. Por lo tanto, la fórmula estructural del compuesto es
CH3OCO
OCHOCH2OCH3
CH3
A
A
CH3
C2H5
A
3
1 4 5
2
Ejercicio de práctica Escriba la fórmula estructural de 5-etil-2,4,6-trimetiloctano.
Reacciones de los alcanos
En general se considera que los alcanos no son sustancias muy reactivas. Sin embargo, en
condiciones adecuadas reaccionan. Por ejemplo, el gas natural, la gasolina y el combus-
tóleo son alcanos cuyas reacciones de combustión son muy exotérmicas:
CH4(g) 1 2O2(g) ¡ CO2(g) 1 2H2O(l) DH° 5 2890.4 kJ/mol
2C2H6(g) 1 7O2(g) ¡ 4CO2(g) 1 6H2O(l) DH° 5 23 119 kJ/mol
Éstas y otras reacciones semejantes de combustión se han utilizado durante mucho tiempo
en procesos industriales, en la calefacción doméstica y para cocinar.
La halogenación de los alcanos, es decir, la sustitución de uno o más átomos de hi-
drógeno por átomos de halógenos, es otra clase de reacción de los alcanos. Cuando una
mezcla de metano y cloro se calienta a más de 100°C o se irradia con luz de la longitud
de onda apropiada, se produce cloruro de metilo:
CH4(g) 1 Cl2(g) ¡ CH3Cl(g) 1 HCl(g)
cloruro de metilo
En presencia de un exceso de cloro gaseoso, la reacción puede continuar:
CH3Cl(g) 1 Cl2(g) ¡ CH2Cl2(l) 1 HCl(g)
cloruro de metileno
CH2Cl2(l) 1 Cl2(g) ¡ CHCl3(l) 1 HCl(g)
cloroformo
CHCl3(l) 1 Cl2(g) ¡ CCl4(l) 1 HCl(g)
tetracloruro de carbono
Las evidencias experimentales sugieren que el paso inicial de la primera reacción de ha-
logenación se lleva a cabo de la siguiente manera:
Cl2 1 energía ¡ Cl · 1 Cl ·
Así, el enlace covalente del Cl2 se rompe y se forman dos átomos de cloro. Sabemos que
el enlace C—Cl se rompe cuando se calienta o irradia la mezcla, porque la entalpía de
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1034 CAPÍTULO 24 Química orgánica
enlace del Cl2 es 242.7 kJ/mol, mientras que se requieren alrededor de 414 kJ/mol para
romper los enlaces C—H del CH4.
Un átomo de cloro es un radical que contiene un electrón desapareado representado
por un punto. Los átomos de cloro son muy reactivos y atacan las moléculas de metano
de acuerdo con la ecuación
CH4 1 Cl ? ¡ ? CH3 1 HCl
Esta reacción produce cloruro de hidrógeno y el radical metilo ? CH3. El radical metilo
es otra especie reactiva; se combina con el cloro molecular para dar cloruro de metilo y
un átomo de cloro:
? CH3 1 Cl2 ¡ CH3Cl 1 Cl ?
La producción de cloruro de metileno a partir del cloruro de metilo y las reacciones sub-
secuentes se explican de la misma forma. El mecanismo real es más complejo que el
esquema que se ha mostrado porque ocurren “reacciones secundarias” que no conducen a
los productos deseados, como
Cl ? 1 Cl ? ¡ Cl2
? CH3 1 ? CH3 ¡ C2H6
Los alcanos en que se han sustituido uno o más átomos de hidrógeno por un átomo de
halógeno se llaman halogenuros de alquilo. Entre el gran número de halogenuros de al-
quilo, los más conocidos son el cloroformo (CHCl3), el tetracloruro de carbono (CCl4), el
cloruro de metileno (CH2Cl2) y los clorofluorohidrocarbonos.
El cloroformo es un líquido volátil, de sabor dulce, que durante muchos años se uti-
lizó como anestésico. Sin embargo, debido a su toxicidad (puede producir daño severo en
el hígado, los riñones y el corazón) se ha sustituido por otros compuestos. El tetracloruro
de carbono también es una sustancia tóxica que sirve como líquido limpiador, el cual
quita las manchas de grasa de la ropa. El cloruro de metileno se utiliza como disolvente
para descafeinar el café y como removedor de pintura.
La preparación de los clorofluorocarbonos y el efecto de estos compuestos sobre el
ozono de la estratosfera se analizaron en el capítulo 20.
Isomería óptica de alcanos sustituidos
Los isómeros ópticos son compuestos cuyas imágenes especulares no se pueden superpo-
ner. En la figura 24.3 se presentan dibujos en perspectiva de los metanos sustituidos
CH2ClBr y CHFClBr y de sus imágenes especulares. Las imágenes especulares de CH2ClBr
se pueden superponer, pero las de CHFClBr no, independientemente de cómo se hagan
girar las moléculas. Por lo tanto, la molécula de CHFClBr es quiral. Las moléculas qui-
rales más sencillas contienen por lo menos un átomo de carbono asimétrico, es decir, un
átomo de carbono unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes.
La isomería óptica se estudió por pri-
mera vez en la sección 23.4.
Ejemplo 24.4
¿La siguiente molécula es quiral?
HOCOCH2OCH3
Cl
A
A
CH3
Animación
Quiralidad
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24.2 Hidrocarburos alifáticos 1035
Cicloalcanos
Los alcanos cuyos átomos de carbono se unen formando anillos se conocen como cicloal-
canos. Tienen la fórmula general CnH2n, donde n 5 3, 4, … El cicloalcano más sencillo
es el ciclopropano, C3H6 (figura 24.4). Muchas sustancias de importancia biológica, como
el colesterol, la testosterona y la progesterona contienen uno o más de tales sistemas cí-
clicos. El análisis teórico muestra que el ciclohexano puede tener dos diferentes geometrías
relativamente libres de tensión (figura 24.5). “Tensión” significa que los enlaces están
comprimidos, alargados o torcidos con respecto a sus formas geométricas normales pre-
dichas por la hibridación sp3
. La geometría más estable es la forma de silla.
Alquenos
Los alquenos (también llamados olefinas) contienen por lo menos un doble enlace car-
bono-carbono. Los alquenos tienen la fórmula general CnH2n, donde n 5 2, 3, . . . El
Figura 24.3 a) Molécula del
CH2ClBr y su imagen especular.
Como la molécula y su imagen
especular se pueden superponer
entre sí, se dice que la molécula
es aquiral. b) Molécula del
CHFClBr y su imagen especular.
Dado que la molécula y su imagen
especular no se pueden
superponer, sin importar cómo se
roten entre ellas, se dice que la
molécula es quiral.
Problema similar: 24.25.
H
H H
a) b)
Espejo Espejo
H
H
H
H
F H
H
H
H
Br
Br
Br Br
Br
Br
Br
Br
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Cl
Cl Cl
H
F
F
F
Estrategia Recuerde la condición para la quiralidad. ¿El átomo central de C es asimétrico?,
es decir, ¿tiene cuatro diferentes átomos o distintos grupos unidos a él?
Solución Observamos que el átomo de carbono central está unido a un átomo de
hidrógeno, un átomo de cloro, un grupo —CH3 y un grupo —CH2—CH3. Por lo tanto, el
átomo de carbono central es asimétrico y la molécula es quiral.
Ejercicio de práctica ¿La siguiente molécula es quiral?
IOCOCH2OCH3
Br
A
A
Br
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1036 CAPÍTULO 24 Química orgánica
alqueno más sencillo es C2H4, etileno, en el que ambos átomos de carbono presentan
hibridación sp2
y el doble enlace está formado por un enlace sigma y un enlace pi (vea
la sección 10.5).
Nomenclatura de los alquenos
Para nombrar los alquenos se indican las posiciones de los dobles enlaces carbono-carbo-
no. Los nombres de los compuestos que contienen enlaces CPC terminan en -eno. Como
en el caso de los alcanos, el nombre del compuesto base se determina por el número de
átomos de carbono de la cadena más larga (vea la tabla 24.1), como se muestra aquí:
2-butano
1-butano
H3COCHPCHOCH3
CH2PCHOCH2OCH3
Los números en los nombres de los alquenos indican el átomo de carbono con el número
más pequeño en la cadena que es parte del enlace CPC del alqueno. El nombre “buteno”
significa que hay cuatro átomos de carbono en la cadena más larga. En la nomenclatura
de los alquenos se debe especificar si una molécula es cis o trans, si se trata de isómeros
geométricos, como
D
H
G
CHOCH2OCH3
4-metil-trans-2-hexeno
4-metil-cis-2-hexeno
3
6
4
2
5
1
3
6
4
2
5
1
CH3
A
CPC
H3C
G
H
D
D
CHOCH2OCH3
G
H
A
CH3
CPC
H3C
G
H
D
Propiedades y reacciones de los alquenos
El etileno es una sustancia muy importante porque se utiliza en grandes cantidades en la
manufactura de polímeros orgánicos (que se estudiarán en el siguiente capítulo) y en
Figura 24.4 Estructuras de los
primeros cuatro cicloalcanos y sus
formas simplificadas.
Figura 24.5 La molécula de
ciclohexano puede asumir varias
formas. La más estable es la forma
de silla, y la menos estable, la
forma de bote. Los dos tipos de
átomos de H se denominan axial y
ecuatorial, respectivamente.
En el isómero cis, los dos átomos de H
se encuentran del mismo lado del en-
lace CPC; en el isómero trans, los dos
átomos de H están cruzados entre sí.
La isomería geométrica se presentó en
la sección 23.4.
Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano
H
C
C
C
C H
H H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
C
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H H
Axial
Ecuatorial
Forma de silla Forma de bote
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24.2 Hidrocarburos alifáticos 1037
la preparación de muchos otros compuestos orgánicos. El etileno se prepara de manera
industrial por el proceso de craqueo, es decir, la descomposición térmica de un hidrocar-
buro superior en moléculas más pequeñas. Cuando el etano se calienta alrededor de 800°C,
se produce la siguiente reacción:
Otros alquenos se pueden preparar por el craqueo de miembros superiores de la familia
de los alcanos.
Los alquenos se clasifican como hidrocarburos insaturados, los cuales comprenden
compuestos con dobles o triples enlaces carbono-carbono que les permiten adicionar
átomos de hidrógeno. Los hidrocarburos insaturados por lo general presentan reacciones
de adición, en las que una molécula se adiciona a otra para formar un solo producto. La
hidrogenación (vea página 963) es un ejemplo de una reacción de adición. Otras reaccio-
nes de adición al enlace CPC incluyen
C2H4(g) 1 HX(g) ¡ CH3OCH2X(g)
C2H4(g) 1 X2(g) ¡ CH2XOCH2X(g)
donde X representa un halógeno (Cl, Br o I).
La adición de un halogenuro de hidrógeno a un alqueno no simétrico, como propeno,
es más complicada porque se pueden formar dos productos:
H
A
A
Br
H
A
A
H
 HBr 888n H3COCOCOH
H
A
A
Br
H
A
A
H
H3COCOCOH
CPC
H3C
G
H
D
D
H
G
H
y/o
1-bromopropano 2-bromopropano
propano
Sin embargo, en la práctica sólo se forma el 2-bromopropano. Este fenómeno fue obser-
vado en todas las reacciones entre reactivos no simétricos y alquenos. En 1871, Vladimir
Markovnikov1
postuló una generalización que permite predecir el resultado de las reac-
ciones de adición. Esta generalización, que ahora se conoce como la regla de Markovnikov,
establece que en la adición de reactivos no simétricos (es decir, polares) a alquenos, la
porción positiva del reactivo (generalmente hidrógeno) se adiciona al átomo de carbono
que tiene más átomos de hidrógeno.
Isómeros geométricos de los alquenos
En un compuesto como el etano, C2H6, la rotación de los dos grupos metilo en torno al
enlace sencillo carbono-carbono (que es un enlace sigma) opera con bastante libertad. La
situación es diferente para moléculas que contienen dobles enlaces carbono-carbono, como
el etileno, C2H4. Además del enlace sigma, hay un enlace pi entre los dos átomos de
carbono. La rotación en torno al enlace carbono-carbono no afecta al enlace sigma, pero
sí mueve los dos orbitales 2pz fuera de alineación para el traslapo y, por lo tanto, destru-
ye parcial o totalmente el enlace pi (vea la figura 10.16). Este proceso demanda un sumi-
nistro de energía del orden de 270 kJ/mol. Por esta razón la rotación del doble enlace
carbono-carbono está bastante restringida, aunque no imposible. Como consecuencia, las
moléculas que contienen dobles enlaces carbono-carbono (es decir, los alquenos) pueden
tener isómeros geométricos, que no se pueden interconvertir entre sí sin romper un enlace
químico.
Reacción de adición entre el HCl y el
etileno. La interacción inicial se pre-
senta entre el extremo positivo del
HCl (azul) y la región rica en electro-
nes del etileno (rojo), la cual está
asociada con los electrones pi del
enlace CPC.
La densidad electrónica es mayor
sobre el átomo de carbono del gru-
po CH2 en el propeno.
1
Vladimir W. Markovnikov (1838-1904). Químico ruso. Las observaciones de Markovnikov de las reacciones
de adición a los alquenos se publicaron un año después de su muerte.
C2H6(g) O
OO¡
catalizador Pt
CH2PCH2(g) 1 H2(g)
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1038 CAPÍTULO 24 Química orgánica
La molécula de dicloroetileno, ClHCPCHCl, se presenta como uno de dos isómeros
geométricos llamados cis-dicloroetileno y trans-dicloroetileno:
8
8
8
n
m
8
8
m
8
8
m
8
8
m
8
8
m
8
8
m
8
8
m
8
8
m
8
8
momento dipolar
resultante
m
88
cis-dicloroetileno
m  1.89 D
p.e. 60.3C
trans-dicloroetileno
m  0
p.e. 47.5C
CPC
Cl
G
H
D
D
Cl
G
H
CPC
H
G
Cl
D
D
Cl
G
H
donde el término cis significa que dos átomos específicos (o grupos de átomos) son ad-
yacentes entre sí, y trans quiere decir que los dos átomos (o grupos de átomos) están en
lados opuestos. En general, los isómeros cis y trans tienen propiedades físicas y químicas
muy diferentes. Por lo común, se utiliza calor o radiación luminosa para convertir un
isómero geométrico en el otro; a este proceso se le denomina isomerización cis-trans o
isomerización geométrica. Como muestran los datos anteriores, las mediciones del mo-
mento dipolar sirven para distinguir entre isómeros geométricos. En general, los isómeros
cis poseen momento dipolar, pero los trans no.
Isomerización cis-trans en el proceso de visión
Las moléculas en la retina que responden a la luz son las rodopsinas, las cuales tienen
dos componentes, denominados 11-cis retinal y opsina (figura 24.6). El retinal es el com-
ponente fotosensible y la opsina es una molécula proteínica. Cuando se recibe un fotón
en la región visible, el 11-cis retinal se isomeriza al retinal, cuyos dobles enlaces son
todos trans, mediante la ruptura de un enlace pi carbono-carbono. Cuando el enlace pi se
rompe, el enlace sigma carbono-carbono restante se encuentra en libertad para girar y
transformarse en el retinal. En este punto se genera un impulso eléctrico que se transmite
al cerebro, el cual forma una imagen visual. El retinal todo trans no se fija en el sitio de
unión sobre la opsina, y eventualmente se separa de la proteína. Con el tiempo, el isóme-
ro trans se convierte de nuevo en 11-cis retinal mediante una enzima (en la ausencia de
luz), se genera rodopsina al unir el isómero cis a la opsina, y el ciclo visual puede co-
menzar de nuevo.
En el cis-dicloroetileno (parte supe-
rior), los momentos de enlace se
refuerzan entre sí, y la molécula es
polar. Lo contrario se aplica para el
trans-dicloroetileno, y la molécula es
no polar.
Micrografía electrónica de células
con forma de bastones (que contie-
nen rodopsinas) en la retina.
Opsina Opsina
isómero 11-cis
isómero con enlaces trans
luz
11
12
11
12
Figura 24.6 El evento principal en el proceso de visión es la conversión que hace el 11-cis retinal
al isómero cuyos dobles enlaces son todos trans sobre la rodopsina. El enlace doble en el cual ocurre
la isomerización se ubica entre el carbono 11 y el carbono 12. Por simplicidad, la mayor parte de los
átomos de H se omitieron. En ausencia de luz, esta transformación tiene lugar aproximadamente una
vez cada mil años.
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24.2 Hidrocarburos alifáticos 1039
Alquinos
Los alquinos contienen por lo menos un triple enlace carbono-carbono. Tienen la fórmu-
la general CnH2n22, donde n 5 2, 3, …
Nomenclatura de los alquinos
Los nombres de los compuestos que contienen enlaces CP
OC terminan en -ino. De nuevo,
el nombre del compuesto base está determinado por el número de átomos de carbono en
la cadena más larga (vea la tabla 24.1 para los nombres de los alcanos correspondientes).
Al igual que en el caso de los alquenos, los nombres de los alquinos indican la posición
del triple enlace carbono-carbono; por ejemplo, en
Propiedades y reacciones de los alquinos
El alquino más sencillo es el etino, más conocido como acetileno (C2H2). La estructura y
el enlace del C2H2 se analizaron en la sección 10.5. El acetileno es un gas incoloro (p. e.
–84°C) que se prepara mediante la reacción entre carburo de calcio y agua:
El acetileno tiene muchos usos importantes en la industria. Debido a su alto calor de com-
bustión
el acetileno que se quema en los “sopletes oxiacetilénicos” produce una flama muy ca-
liente (aproximadamente de 3 000°C). Por tal razón, los sopletes oxiacetilénicos se utilizan
para soldar metales (vea la página 259).
La energía libre estándar de formación del acetileno es positiva ()G°
f 5 209.2 kJ/
mol), a diferencia de la de los alcanos. Esto significa que la molécula es inestable (res-
pecto de sus elementos) y tiende a descomponerse:
En presencia de un catalizador adecuado, o cuando el gas se mantiene a presión, esta
reacción suele ocurrir con violencia explosiva. Para transportar el gas sin correr riesgos,
debe disolverse en un disolvente orgánico, como acetona, a presión moderada. En estado
líquido, el acetileno es muy sensible a los golpes y altamente explosivo.
El acetileno es un hidrocarburo insaturado que se hidrogena para producir etileno:
Participa en las siguientes reacciones de adición, con halogenuros de hidrógeno y halóge-
nos:
El metilacetileno (propino), CH3—CP
OC—H, es el siguiente miembro de la familia de los
alquinos. Participa en reacciones semejantes a las del acetileno. Las reacciones de adición
del propino también obedecen la regla de Markovnikov:
La reacción del carburo de calcio
con agua produce acetileno, un gas
inflamable.
Propino. ¿Podría explicarse la regla
de Markovnikov con esta molécula?
HCqCOCH2OCH3 H3COCqCOCH3
2-butino
1-butino
CaC2(s) 1 2H2O(l) ¡ C2H2(g) 1 Ca(OH)2(ac)
2C2H2(g) 1 5O2(g) ¡ 4CO2(g) 1 2H2O(l) ¢H° 5 22 599.2 kJ/mol
C2H2(g) ¡ 2C(s) 1 H2(g)
C2H2(g) 1 H2(g) ¡ C2H4(g)
C2H2(g) 1 HX(g) ¡ CH2PCHX(g)
C2H2(g) 1 X2(g) ¡ CHXPCHX(g)
C2H2(g) 1 2X2(g) ¡ CHX2OCHX2(g)
CPC
CH3OC COH HBr 888n
H3C
G
Br
D
D
H
G
H
2-bromopropeno
propino
O
O
O
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1040
¿Hielo que se quema? Así es. Se denomina hidrato de meta-
no, y hay suficiente para satisfacer las necesidades energéti-
cas de Estados Unidos durante varios años. Pero los científicos
aún tienen que descubrir cómo extraerlo sin causar un desastre
ambiental.
Las bacterias en los sedimentos del suelo oceánico consu-
men materia orgánica y generan gas metano. En condiciones de
alta presión y baja temperatura, el metano forma hidrato
de metano, el cual está compuesto por moléculas individua-
les de gas natural atrapado dentro de jaulas cristalinas formadas
por moléculas de agua congelada. Un trozo de hidrato de meta-
no tiene la apariencia de un cubo de hielo gris, que se quema si
se le acerca un fósforo encendido.
Las compañías petroleras saben de la existencia del hidrato
de metano desde la década de 1930, cuando comenzaron a usar
las tuberías de alta presión para transportar el gas natural en
climas fríos. A menos que el agua se elimine cuidadosamente
antes de que el gas ingrese en la tubería, el flujo del gas se vería
obstaculizado por trozos de hidrato de metano.
Se estima que la reserva total del hidrato de metano en los
océanos de la Tierra es de 1013
toneladas de contenido de carbo-
no, aproximadamente el doble de la cantidad de carbono en todo
el carbón, petróleo y gas natural en el planeta. No obstante, reco-
lectar la energía almacenada en el hidrato de metano presenta un
enorme reto de ingeniería. Se cree que el hidrato de metano
actúa como una clase de cemento para mantener unidos los sedi-
mentos del suelo oceánico. La alteración en los depósitos de
hidrato podría causar deslaves subacuáticos, lo que produciría el
desprendimiento de metano a la atmósfera. Este evento podría
tener notables consecuencias ambientales, porque el metano es
un potente gas de invernadero (vea sección 20.5). De hecho, los
científicos han especulado que la liberación abrupta de hidrato
de metano pudo haber desencadenado el fin de la última era del
hielo hace 10 000 años. Al fundirse el gran manto de hielo con-
tinental, los niveles del mar global se dilataron por más de 90 m,
sumergiendo regiones del Ártico ricas en depósitos de hidrato.
El agua relativamente caliente del océano fundió los hidratos,
liberando grandes cantidades de metano, lo cual condujo al
calentamiento global.
El hielo que se quema
QUÍMICA
en acción
Hidrato de metano en combustión con el aire.
Hidrato de metano. La molécula de metano está atrapada en una
jaula de moléculas de agua congelada (esferas azules) unidas
mediante enlaces de hidrógeno.
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24.3 Hidrocarburos aromáticos 1041
24.3 Hidrocarburos aromáticos
El benceno, compuesto base de esta gran familia de sustancias orgánicas, fue descubierto
por Michael Faraday en 1826. Durante más de 40 años, los químicos estuvieron preocu-
pados por encontrar su estructura molecular. A pesar del pequeño número de átomos en
la molécula, hay muy pocas formas de representar la estructura del benceno sin violar la
tetravalencia del carbono. Sin embargo, la mayoría de las estructuras propuestas fueron
rechazadas porque no podían explicar las propiedades conocidas del benceno. Hacia 1865,
August Kekulé2
dedujo que la mejor representación de la molécula del benceno podría ser
una estructura anular, es decir, un compuesto cíclico que consta de seis átomos de carbo-
no:
H
A
A
H
C
KCH
C
B
A
CN
C
EC
H
E HH
E
H
H
H
C
H
A
A
H
C
ECN
C
A
B
CH
C
KC
H
E H
H
E
H
HH
C
o
Como vimos en la sección 9.8, la mejor manera de representar las propiedades del ben-
ceno es mediante las dos estructuras resonantes anteriores. De manera alternativa, las
propiedades del benceno se explican en términos de orbitales moleculares deslocalizados
(vea la página 454):
Nomenclatura de los compuestos aromáticos
La nomenclatura de los bencenos monosustituidos, es decir, bencenos en los que un átomo
de H se ha reemplazado por otro átomo o grupo de átomos, es muy sencilla, como se mues-
tra a continuación:
etilbenceno clorobenceno nitrobenceno
aminobenceno
(anilina)
CH2CH3
A
Cl
A
NH2
A
NO2
A
Si está presente más de un sustituyente, debemos indicar la localización del segundo
grupo respecto del primero. La forma sistemática de lograr esto es numerando los átomos
de carbono como sigue:
3
6
4
2
5
1
Micrografía electrónica de moléculas
de benceno, la cual muestra clara-
mente la estructura anular.
2
August Kekulé (1829-1896). Químico alemán. Kekulé fue estudiante de arquitectura antes de interesarse por
la química. Resolvió, supuestamente, el enigma de la estructura de la molécula de benceno después de haber
tenido un sueño en el cual serpientes danzantes mordían sus propias colas. El trabajo de Kekulé es considerado
por muchos como el logro culminante de la química orgánica teórica del siglo xix.
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1042 CAPÍTULO 24 Química orgánica
Hay tres diferentes dibromobencenos posibles:
1,4-dibromobenceno
(p-dibromobenceno)
1,2-dibromobenceno
(o-dibromobenceno)
1,3-dibromobenceno
(m-dibromobenceno)
Br
A
Br
A
Br
A
A
Br
H
Br
E
Br
Los prefijos o- (orto-), m- (meta-) y p- (para-) se utilizan para indicar las posiciones re-
lativas de los dos grupos sustituyentes, como se muestra en el caso de los dibromobence-
nos. Los compuestos en que los dos grupos sustituyentes son diferentes se nombran de
esta forma. Así,
NO2
A
H
Br
se nombra 3-bromonitrobenceno o m-bromonitrobenceno.
Por último, cabe hacer notar que el grupo que contiene un anillo bencénico menos
un átomo de hidrógeno recibe el nombre de grupo fenilo. Por lo tanto, la siguiente molé-
cula se denomina 2-fenilpropano:
CH3OCHOCH3
A
Propiedades y reacciones de los compuestos aromáticos
El benceno es un líquido incoloro, inflamable, que se obtiene sobre todo del petróleo y
del alquitrán de hulla. Es probable que la propiedad química más notable del benceno sea
su relativa baja reactividad. A pesar de que tiene la misma fórmula empírica que el ace-
tileno (CH) y un alto grado de insaturación, es mucho menos reactivo que el etileno o el
acetileno. La estabilidad del benceno es resultado de la deslocalización electrónica. De
hecho es posible, aunque muy difícil, hidrogenar el benceno. La siguiente reacción se
lleva a cabo a temperaturas y presiones mucho mayores que las que se utilizan con los
alquenos:
 3H2 8888n
H
A
A
H
H
E HH
E
H
OH
HO
HO OH
D
D
D
D
G
G
G
G
H
H
H
H
H
H
H
H
catalizador
Pt
H
H
ciclohexano
Antes vimos que los alquenos reaccionan en forma rápida con los halógenos para
formar productos de adición, porque el enlace pi en CPC se puede romper con facilidad.
La reacción más común de los halógenos con el benceno es una reacción de sustitución,
Este compuesto también se denomina
isopropilbenceno (vea la tabla 24.2).
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24.3 Hidrocarburos aromáticos 1043
en la cual un átomo o un grupo de átomos reemplaza a un átomo o grupo de átomos de
otra molécula. Por ejemplo,
 Br2 8888n
H
A
A
H
H
E HH
E
H
H
H
 HBr
Br
A
A
H
H
E HH
E
H
H
H
bromobenceno
catalizador
FeBr3
Observe que si la reacción fuera de adición, se destruiría la deslocalización electrónica en
el producto
H
A
A
H
HE
OH
OBr
D
G
HH
Br
H
y la molécula no tendría la baja reactividad química característica de los compuestos
aromáticos.
Es posible introducir grupos alquilo en el sistema cíclico haciendo reaccionar el ben-
ceno con un halogenuro de alquilo y utilizando AlCl3 como catalizador:
 CH3CH2Cl 8888n  HCl
CH2CH3
A
catalizador
cloruro de etilo etilbenceno
AlCl3
Existe una gran cantidad de compuestos que se pueden generar a partir de sustancias
en las que los anillos bencénicos están fusionados. En la figura 24.7 se ilustran algunos
de estos hidrocarburos aromáticos policíclicos. El más conocido de estos compuestos es
el naftaleno, que se utiliza en las bolitas de naftalina. Éste y otros compuestos semejantes
están presentes en el alquitrán de hulla. Algunos compuestos con varios anillos son pode-
rosos carcinógenos, es decir, que pueden causar cáncer en humanos y animales.
Figura 24.7 Algunos
hidrocarburos aromáticos
policíclicos. Los compuestos
señalados con un asterisco (*) son
carcinógenos potentes. En la
naturaleza existe un número muy
significativo de tales compuestos.
Naftaleno Antraceno Fenantreno Naftaceno
Benzo(a)pireno
Dibenzo(a,h)antraceno*
Benzo(a)antraceno*
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1044 CAPÍTULO 24 Química orgánica
24.4 Química de los grupos funcionales
Ahora examinaremos con mayor profundidad algunos grupos funcionales orgánicos, res-
ponsables de la mayor parte de las reacciones del compuesto base. En particular, analiza-
remos los compuestos que contienen oxígeno y los que contienen nitrógeno.
Alcoholes
Todos los alcoholes contienen el grupo funcional hidroxilo, —OH. En la figura 24.8 se
muestran las estructuras de algunos alcoholes comunes. El alcohol etílico o etanol es, con
mucho, el más conocido. Es un producto biológico de la fermentación del azúcar o el
almidón. En ausencia de oxígeno, las enzimas presentes en los cultivos bacterianos o en
la levadura catalizan la reacción
Este proceso libera energía que los microorganismos, a su vez, utilizan para su crecimien-
to y otras funciones.
El etanol se prepara de manera comercial mediante una reacción de adición en la que
el agua se combina con etileno a unos 280°C y 300 atm:
El etanol tiene incontables aplicaciones como disolvente de compuestos orgánicos y como
materia prima en la manufactura de colorantes, fármacos, cosméticos y explosivos. También
es un constituyente de las bebidas alcohólicas. El etanol es el único de los alcoholes de
cadena lineal que no es tóxico (más propiamente, el menos tóxico); el cuerpo humano
produce una enzima llamada alcohol deshidrogenasa, que ayuda a metabolizar el etanol
oxidándolo hasta acetaldehído:
Esta ecuación es una versión simplificada de lo que ocurre en realidad; otras moléculas
toman los átomos de H, de modo que no hay desprendimiento de H2 gaseoso.
El etanol también se puede oxidar hasta acetaldehído o ácido acético por la acción de
agentes oxidantes inorgánicos, como el dicromato en medio ácido:
Vea “Química en acción” en la página
144.
Figura 24.8 Alcoholes comunes.
Observe que todos los
compuestos contienen el grupo
OH. Las propiedades del fenol son
muy diferentes de las de los
alcoholes alifáticos.
H
C
A
O
O
A
H
H
C
A
O O
O
A
H H
A
A
H H
C
H
C
A
O O O
A
H
A
A
H H
H
C
O
A
A
H
H
C
OH
Metanol
(alcohol metílico)
Etanol
(alcohol etílico)
2-Propanol
(alcohol isopropílico)
Fenol Etilenglicol
OH
OH
OH
C
A
O O
O
A
H
H
A
A
H H
H
C OH
OH
C2H5OH
C6H12O6(ac) O
O¡
enzimas
2CH3CH2OH(ac) 1 2CO2(g)
etanol
CH2PCH2(g) 1 H2O(g) O¡
H2SO4
CH3CH2OH(g)
CH3CH2OH OOOOOOO¡
alcohol dehidrogenasa
CH3CHO 1 H2
acetaldehído
CH3CH2OH O¡
Cr2O7
22
H1 CH3CHO O¡
Cr2O7
22
H1 CH3COOH
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24.4 Química de los grupos funcionales 1045
Se dice que el etanol es un alcohol alifático porque se deriva de un alcano (etano).
El alcohol alifático más sencillo es el metanol, CH3OH. Se conoce como alcohol de ma-
dera, pues antiguamente se preparaba por la destilación seca de la madera; en la actuali-
dad se sintetiza en forma industrial por la reacción de monóxido de carbono e hidrógeno
molecular a altas temperaturas y presiones:
El metanol es muy tóxico. La ingestión de unos cuantos mililitros puede causar náuseas
y ceguera. A menudo el etanol para uso industrial se mezcla con metanol para evitar que
la gente lo beba. El etanol que contiene metanol u otras sustancias tóxicas se llama alco-
hol desnaturalizado.
Los alcoholes son ácidos muy débiles; no reaccionan con bases fuertes, como NaOH.
Los metales alcalinos reaccionan con los alcoholes para producir hidrógeno:
Sin embargo, la reacción es mucho menos violenta que la reacción entre Na y agua:
Otros dos alcoholes alifáticos familiares son el 2-propanol (o isopropanol), conocido
como alcohol de fricción, y el etilenglicol, que se utiliza como anticongelante. Observe
que el etilenglicol tiene dos grupos —OH, por lo que puede formar enlaces por puente de
hidrógeno con las moléculas de agua de modo más eficiente que los compuestos con un
solo grupo —OH (vea la figura 24.8). La mayor parte de los alcoholes, en especial los
que tienen masas molares pequeñas, son muy inflamables.
Éteres
Los éteres contienen la unión R—O—R9, donde R y R9 son grupos derivados de hidro-
carburos (alifáticos o aromáticos). Se forman a partir de la reacción entre un alcóxido
(que contiene el ion RO2
) y un halogenuro de alquilo:
El éter dietílico se prepara industrialmente al calentar el etanol con ácido sulfúrico a 140°C
Esta reacción es un ejemplo de una reacción de condensación, que se caracteriza por la
unión de dos moléculas y la eliminación de una molécula pequeña, por lo general agua.
Al igual que los alcoholes, los éteres son muy inflamables. Cuando se dejan al aire
en reposo, tienen la tendencia de formar, lentamente, peróxidos explosivos:
Los alcoholes reaccionan con más
lentitud con el sodio metálico que
éste con el agua.
CH3OCH3
CO(g) 1 2H2(g) O¡
catalizador
Fe2O3
CH3OH(l)
metanol
2CH3OH 1 2Na ¡ 2CH3ONa 1 H2
metóxido de sodio
H
2 2O 1 2Na ¡ 2NaOH 1 H2
NaOCH3 1 CH3Br ¡ CH3OCH3 1 NaBr
metóxido de sodio bromuro de metilo éter dimetílico
C2H5OH 1 C2H5OH ¡ C2H5OC2H5 1 H2O
C2H5OC2H5 O2 88n C2H5OOCOOOOOH
CH3
A
A
H
dietil éter hidroperóxido de 1-etoxietilo
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1046 CAPÍTULO 24 Química orgánica
Los peróxidos contienen el enlace OOOOO; el peróxido más sencillo es el peróxido de
hidrógeno, H2O2. El éter dietílico, conocido como “éter”, se utilizó como anestésico du-
rante muchos años. Produce inconsciencia por depresión de la actividad del sistema ner-
vioso central. Las principales desventajas del éter dietílico son sus efectos irritantes en el
sistema respiratorio, que causan náuseas y vómito posterior a la anestesia. En la actualidad
se prefiere utilizar como anestésico el “neotil” o éter metil propílico, CH3OCH2CH2CH3,
porque casi no presenta efectos secundarios.
Aldehídos y cetonas
En condiciones suaves de oxidación es posible convertir los alcoholes en aldehídos y
cetonas:
H
A
A
OH
acetona
formaldehído
acetaldehído
1
2
1
2
1
2
CH3OH  O2 88n H2CPO  H2O
C2H5OH  O2 88n CPO  H2O
H3C
G
H
D
CH3OCOCH3  O2 88n CPO  H2O
H3C
G
H3C
D
El grupo funcional en estos compuestos es el grupo carbonilo, H
ECPO. En un aldehído
hay por lo menos un átomo de hidrógeno unido al carbono del grupo carbonilo. En una
cetona, el átomo de carbono del grupo carbonilo está unido a dos grupos hidrocarbona-
dos.
El aldehído más sencillo, el formaldehído (H2CPO), tiende a polimerizarse, es decir,
las moléculas individuales se unen entre sí para formar un compuesto de alta masa molar.
En esta acción se desprende mucho calor y a menudo es explosiva, de modo que por lo
general el formaldehído se prepara y almacena en disolución acuosa (para reducir la con-
centración). Este líquido de olor bastante desagradable es una materia prima en la indus-
tria de los polímeros (vea el capítulo 25), y en el laboratorio se le utiliza para la con-
servación de animales muertos. Es interesante observar que los aldehídos de masa molar
mayor, como el aldehído cinámico
OCHPCHOC
D
H
M
O
tienen un olor agradable y se emplean en la manufactura de perfumes.
Por lo general las cetonas son menos reactivas que los aldehídos. La cetona más
sencilla es la acetona, un líquido de olor agradable que se utiliza principalmente como
disolvente de compuestos orgánicos y como removedor de barniz de uñas.
Ácidos carboxílicos
En condiciones apropiadas, tanto los alcoholes como los aldehídos se pueden oxidar has-
ta ácidos carboxílicos, ácidos que contienen el grupo carboxilo, OCOOH:
El aldehído cinámico da a la canela su
característico aroma.
CH3CHO
CH3COOH
CH3CH2OH 1 O2 ¡ CH3COOH 1 H2O
H
C 3CHO 1 1
2O2 ¡ CH3COOH
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24.4 Química de los grupos funcionales 1047
De hecho, estas reacciones se llevan a cabo tan rápido que el vino almacenado debe pro-
tegerse del oxígeno atmosférico, ya que de otra manera pronto se convierte en vinagre,
debido a la formación de ácido acético. En la figura 24.9 se muestra la estructura de al-
gunos ácidos carboxílicos comunes.
Los ácidos carboxílicos abundan en la naturaleza; se encuentran tanto en el reino
vegetal como en el animal. Todas las moléculas de proteínas están formadas por aminoá-
cidos, una clase particular de ácidos carboxílicos que contienen un grupo amino (—NH2)
y un grupo carboxilo (—COOH).
A diferencia de los ácidos inorgánicos HCl, HNO3 y H2SO4, los ácidos carboxílicos
por lo general son débiles. Reaccionan con los alcoholes para formar ésteres, de olor
agradable:
CH3COOH  HOCH2CH3 88n CH3OCOOOCH2CH3  H2O
ácido acético acetato de etilo
etanol
O
B
Otras reacciones comunes de los ácidos carboxílicos son las de neutralización
y la formación de halogenuros de ácido, como el cloruro de acetilo
CH3COOH 1 PCl5 ¡ CH3COCl 1 HCl 1 POCl3
cloruro de cloruro de
acetilo fosforilo
Los halogenuros de ácido son compuestos reactivos que se utilizan como intermediarios
en la preparación de muchos otros compuestos orgánicos. Se hidrolizan en forma muy
similar a la de muchos halogenuros no metálicos, como el SiCl4:
CH3COCl(l) 1 H2O(l)¡CH3COOH(ac) 1 HCl(g)
SiCl4(l) 1 3H2O(l)¡H2SiO3(s) 1 4HCl(g)
ácido silícico
Ésteres
Los ésteres tienen la fórmula general R9COOR, donde R9 puede ser H o un grupo deri-
vado de un hidrocarburo, y R es un grupo derivado de un hidrocarburo. Los ésteres se
utilizan en la manufactura de perfumes y como agentes saborizantes en las industrias de
confitería y de bebidas gaseosas. Muchas frutas deben su olor y sabor característicos a
la presencia de pequeñas cantidades de ésteres. Por ejemplo, los plátanos contienen
acetato de 3-metilbutilo [CH3COOCH2CH2CH(CH3)2]; las naranjas, acetato de octilo
(CH3COOCHCH3C6H13), y las manzanas, butirato de metilo (CH3CH2CH2COOCH3).
Figura 24.9 Algunos ácidos
carboxílicos comunes. Observe que
todos contienen el grupo COOH.
(La glicina es uno de los
aminoácidos encontrados en las
proteínas.)
La oxidación del etanol en ácido acé-
tico en el vino se cataliza mediante en-
zimas.
Ésta es una reacción de condensa-
ción.
El aroma de las frutas se debe prin-
cipalmente a los ésteres que contie-
ne.
CO
O
H C
A
O O
A
A
A
H H
C O
A A
H
C
OH C
O O
O
H
A
A
H
H
C OH
B
J
B
B
O
B
O
B
Ácido fórmico Ácido acético Ácido butírico Ácido benzoico
Ácido cítrico
Ácido oxálico
Glicina
O O O
OH
C
H
OH
C
O
A
O O O
A
H
A
A
H H
H
C O
A
A
H
H
C
B
O C
H
OH
C
O
A
O O
A
H
H
O
A
A
H
H
N
B
C
OH
C
O
HO
O
C
O
OH
G
OH
O
C
O
B
OH
C
O
A
O
C OH
B
O
O
CH3COOH 1 NaOH ¡ CH3COONa 1 H2O
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1048 CAPÍTULO 24 Química orgánica
El grupo funcional en los ésteres es el grupo —COOR. En presencia de un cataliza-
dor ácido, como el HCl, los ésteres se hidrolizan para formar un ácido carboxílico y un
alcohol. Por ejemplo, en disolución ácida, el acetato de etilo se hidroliza de la siguiente
manera:
Sin embargo, esta reacción no llega a completarse porque también ocurre la reacción in-
versa en forma apreciable, es decir, la formación de un éster a partir de un alcohol y un
ácido. Por otro lado, cuando se utiliza una disolución de NaOH en la hidrólisis, el aceta-
to de sodio no reacciona con el etanol, por lo que la reacción sí se completa de izquierda
a derecha:
CH3COOC2H5 1 NaOH ¡ CH3COO2
Na1
1 C2H5OH
acetato de etilo acetato de sodio etanol
Por esta razón, la hidrólisis de los ésteres por lo general se realiza en disoluciones básicas.
Observe que el NaOH no actúa como catalizador, sino que se consume durante la reacción.
El término saponificación (que significa hacer jabón) se utilizó originalmente para des-
cribir la hidrólisis alcalina de los ésteres de los ácidos grasos para producir moléculas de
jabón (estearato de sodio):
C17H35COOC2H5 1 NaOH ¡ C17H35COO2
Na1
1 C2H5OH
estearato de etilo estearato de sodio
Saponificación es un término que actualmente se ha generalizado para la hidrólisis alca-
lina de cualquier tipo de éster.
Aminas
Las aminas son bases orgánicas que tienen la fórmula general R3N, en donde R puede
ser H o un grupo derivado de un hidrocarburo. Igual que en el caso del amoniaco, la
reacción de las aminas con el agua es:
donde R representa un grupo hidrocarbonado. Como todas las bases, las aminas forman
sales cuando reaccionan con ácidos:
CH3CH2NH2 1 HCl ¡ CH3CH2NH3
1
Cl2
etilamina cloruro de
etilamonio
Estas sales por lo general son sólidos incoloros e inodoros.
Las aminas aromáticas se utilizan sobre todo en la manufactura de colorantes. La
anilina, la más sencilla de las aminas aromáticas, es en sí misma un compuesto tóxico, y
numerosas aminas aromáticas, como la 2-naftilamina y la bencidina, son poderosos carci-
nógenos:
E
NH2
H2NO ONH2
NH2
A
bencidina
anilina 2-naftilamina
O
O
Resumen de grupos funcionales
En la tabla 24.4 se resumen los grupos funcionales comunes, incluyendo los grupos CPC
y CP
OC. Con frecuencia los compuestos orgánicos presentan más de un grupo funcional.
Por lo general, la reactividad de un compuesto es determinada por el número y tipo de
grupos funcionales que lo constituyen.
En el ejemplo 24.5 se muestra la manera de utilizar los grupos funcionales para pre-
decir las reacciones.
La acción del jabón se analizó en la
página 550.
CH3NH2
CH3COOC2H5 1 H2O ∆ CH3COOH 1 C2H5OH
acetato de etilo ácido acético etanol
RNH2 1 H2O ¡ RNH3
1
1 OH2
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24.4 Química de los grupos funcionales 1049
Arteria que comienza a bloquearse por
el colesterol.
Grupo funcional Nombre Reacciones típicas
CPC
D
G
G
D
Doble enlace carbono- Reacciones de adición con halógenos, halogenuros de
carbono hidrógeno y agua; hidrogenación para producir alcanos
OCqCO Triple enlace Reacciones de adición con halógenos, halogenuros de
carbono-carbono hidrógeno; hidrogenación para producir alquenos y alcanos
OX
OS
Q
(X  F, Cl, Br, I)
Halógeno Reacciones de intercambio:
CH3CH2Br 1 KI ¡ CH3CH2I 1 KBr
OOOH
O
Q Hidroxilo Esterificación (formación de un éster) con ácidos carboxílicos;
oxidación para formar aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos.
O
Q
CPO
G
D
Carbonilo Reducción para producir alcoholes; oxidación de los
aldehídos para producir ácidos carboxílicos
OCOOOH
O
Q
SOS
B
Carboxilo Esterificación con alcoholes, reacción con pentacloruro
de fósforo para producir cloruros de ácido
OCOOOR
O
Q
SOS
B
(R  hidrocarburo)
Éster Hidrólisis para producir ácidos y alcoholes
ON
O
D
R
G
R
(R  H o hidrocarburo)
Amina Formación de sales de amonio con ácidos
Tabla 24.4 Grupos funcionales importantes y sus reacciones
Ejemplo 24.5
El colesterol es el componente principal de los cálculos biliares, y se cree que el nivel de
colesterol en la sangre es un factor determinante de cierto tipo de enfermedades cardiacas. A
partir de la siguiente estructura del compuesto, prediga su reacción con: a) Br2; b) H2 (en
presencia de Pt como catalizador); c) CH3COOH.
HO
E
CH3
A
CH3
A
C8H17
Estrategia Para predecir el tipo de reacciones que puede presentar una molécula, el primer
paso es la identificación de los grupos funcionales presentes (vea tabla 24.4).
Solución En el colesterol son dos los grupos funcionales: el grupo hidroxilo y el doble
enlace carbono-carbono.
a) La reacción con el bromo tiene como resultado la adición de bromo a los carbonos del
doble enlace, que quedan unidos mediante un enlace sencillo.
(continúa)
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1050
En 2010, el petróleo cubrió un estimado de 40% de los reque-
rimientos energéticos de Estados Unidos. El resto fue pro-
visto por gas natural (aproximadamente 25%), carbón (23%),
energía hidroeléctrica (4%), energía nuclear (8%) y otras fuen-
tes (0.5%). Además de la energía que produce, el petróleo es la
fuente de numerosos compuestos químicos orgánicos utilizados
para la fabricación de medicamentos, vestimenta y muchos
otros productos.
El petróleo sin refinar, un líquido viscoso de color café
oscuro, se denomina petróleo crudo. El petróleo se formó en la
corteza terrestre como una compleja mezcla de alcanos, alque-
nos, cicloalcanos y compuestos aromáticos en el transcurso de
millones de años mediante la descomposición anaeróbica de la
materia animal y vegetal a través de la acción bacteriana.
Los depósitos de petróleo están distribuidos en todo el
mundo, pero principalmente se encuentran en Norteamérica,
México, Rusia, China, Venezuela y, por supuesto, el Medio
Oriente. La composición real del petróleo varía dependiendo de
su ubicación. Por ejemplo, en Estados Unidos, el petróleo crudo
de Pensilvania está constituido en su mayoría por hidrocarburos
alifáticos, en tanto que los principales componentes de los
petróleos crudos del Oeste son en esencia aromáticos.
Aunque el petróleo contiene literalmente miles de com-
puestos hidrocarbonados, sus componentes se pueden clasificar
de acuerdo con el intervalo de sus puntos de ebullición. Estos
La industria del petróleo
QUÍMICA
en acción
Gasolina
30°C-180°C
Nafta
110°C-195°C
Queroseno
170°C-290°C
Aceite de calefacción
260°C-350°C
Aceite lubricante
300°C-370°C
Residuo
Gas
Petróleo
crudo
calentado
a 370ºC
Columna de destilación fraccionada para separar los componentes
del petróleo crudo. A medida que el vapor caliente asciende se
condensa y los diferentes componentes del petróleo crudo se sepa-
ran, de acuerdo con sus puntos de ebullición extrayéndose como
se señala.
Petróleo crudo.
Principales fracciones del petróleo
Intervalo del
Fracción Átomos de carbono* punto de ebullición (8C) Usos
Gas natural C1-C4 2161 a 20 Combustible y gas de cocina
Éter de petróleo C5-C6 30–60 Disolvente para compuestos orgánicos
Ligroína C7 20–135 Disolvente para compuestos orgánicos
Gasolina C6-C12 30–180 Combustibles de automóviles
Queroseno C11-C16 170–290 Combustibles para motores de jet y
cohete, calefacción doméstica
Aceite combustible C14-C18 260–350 Calefacción doméstica y combustible
para calefacción para producción de electricidad
Aceite lubricante C15-C24 300–370 Lubricantes para automóviles y máquinas
* Las entradas en estas columnas indican los números de átomos de carbono en los compuestos implicados. Por ejemplo, C1-C4 implica que en el gas natural los compuestos
contienen de 1 a 4 átomos de carbono, y así sucesivamente.
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1051
hidrocarburos se pueden separar con base en la masa molar
mediante destilación fraccionada. El calentamiento del petróleo
crudo a aproximadamente 400ºC lo convierte de un aceite vis-
coso en un vapor caliente y fluido; de esta forma ingresa a la
torre de fraccionamiento. El vapor se eleva y se condensa en
diferentes recipientes recolectores de acuerdo con las tempera-
turas a las cuales los distintos componentes del vapor se licuan.
Algunos gases se extraen de la parte superior de la columna, y
el crudo residual no vaporizado se recoge en la parte inferior.
Probablemente la gasolina es el producto del petróleo mejor
conocido. La gasolina, una mezcla de hidrocarburos volátiles,
contiene en su mayor parte alcanos, cicloalcanos y determina-
dos hidrocarburos aromáticos. Algunos de estos compuestos son
mucho más adecuados como combustible para el motor de un
automóvil que otros, de aquí el problema del tratamiento poste-
rior y refinamiento de la gasolina.
La mayor parte de los automóviles tiene la operación de
cuatro tiempos del motor del ciclo de Otto. Una importante preo-
cupación de la ingeniería es controlar la combustión de la mez-
cla de gasolina y aire en el interior de cada cilindro para obtener
una expansión suave de la mezcla gaseosa. Si la mezcla se que-
ma con demasiada rapidez, el pistón recibe un tirón duro en vez
de un impulso fuerte y suave. Esta acción produce un sonido de
cascabeleo o detonación, así como una disminución en la efi-
ciencia de la conversión de la energía de combustión a energía
mecánica. Resulta que los hidrocarburos de cadena recta tienen
mayor tendencia a producir cascabeleo, en tanto que los hidro-
carburos aromáticos y de cadena ramificada producen el impul-
so suave deseado.
Por lo general, las gasolinas están clasificadas de acuerdo
con el índice de octanaje, una medida de su tendencia a causar
el cascabeleo. En esta escala, a un compuesto C8 ramificado
(2,2,4-trimetilpentano, o isooctano) se le ha asignado arbitraria-
mente un índice de octanaje de 100, y el del n-heptano, un com-
puesto de cadena recta, es cero. Cuanto más alto sea el índice de
octanaje del hidrocarburo, mejor será su desempeño en el motor
de combustión interna. Los hidrocarburos aromáticos, como el
benceno y el tolueno, tienen los índices de octanaje más altos
(106 y 120, respectivamente), como los que poseen los hidro-
carburos alifáticos con cadenas ramificadas.
El índice de octano de los hidrocarburos se puede mejorar
al añadir pequeñas cantidades de compuestos llamados agentes
Las cuatro etapas de operación de un motor de combustión interna. Éste es el tipo de motor utilizado en casi todos los automóviles, y se
describe técnicamente como un motor de ciclo de Otto de cuatro tiempos. a) La válvula de entrada abre para dejar pasar una mezcla de
gasolina y aire. b) Durante la etapa de compresión las dos válvulas se cierran. c) La bujía enciende y el pistón es empujado hacia afuera.
d) Por último, a medida que el pistón es empujado hacia abajo, la válvula de escape se abre para dejar pasar el gas del escape.
Válvula de entrada abierta La bujía se enciende Válvula de escape abierta
a) b) c) d)
(continúa)
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1052
La sección “Química en acción de la página 1050 muestra los principales compuestos
orgánicos presentes en el petróleo.
antidetonantes. Entre los que se utilizan con mayor frecuencia
están los siguientes:
CH3OPbOCH3
CH3
A
A
CH3
CH3OCH2OPbOCH2OCH3
CH3
A
CH2
A
A
CH2
A
CH3
plomotetrametilo plomo tetraetilo
La adición de 2 a 4 g de cualquiera de estos compuestos a
un galón de gasolina incrementa el índice de octanaje en 10 o
más. No obstante, el plomo es un metal altamente tóxico, y la
descarga constante de las emisiones del automóvil en la atmós-
fera se ha convertido en un serio problema ambiental. Las regu-
laciones federales requieren que todos los autos fabricados
después de 1974 utilicen gasolinas “sin plomo”. Los converti-
dores catalíticos con que están equipados los automóviles más
recientes pueden ser “envenenados” con plomo, otra razón para
que este metal se excluya de la gasolina. Para minimizar el cas-
cabeleo, las gasolinas sin plomo contienen metil-ter-butil éter
(MTBE), el cual minimiza el mencionado ruido e incrementa el
contenido de oxígeno de la gasolina, lo que provoca que el com-
bustible se queme más limpiamente. Por desgracia, a finales de
la década de 1990 se encontró MTBE en instalaciones de agua
potable, principalmente debido a las fugas de gasolina de los
tanques de almacenamiento. La sustancia hace que el agua ten-
ga un olor y un sabor nauseabundo, y es un probable carcinóge-
no humano. En el momento en que este ensayo se está
escribiendo, algunos estados han empezado a eliminar paulati-
namente el uso del MTBE en la gasolina, aunque no se ha
encontrado un sustituto idóneo.
QUÍMICA
en acción
1. Debido a que los átomos de carbono se pueden unir entre sí
formando cadenas lineales o ramificadas, el carbono es
capaz de formar más compuestos que ningún otro elemen-
to.
2. Los compuestos orgánicos se derivan de dos tipos de hidro-
carburos: los alifáticos y los aromáticos.
3. El metano, CH4, es el más sencillo de los alcanos, una
familia de hidrocarburos cuya fórmula general es CnH2n12.
El ciclopropano, C3H6, es el más sencillo de los cicloalca-
nos, una familia de alcanos cuyos átomos de carbono se
unen formando anillos. Los alcanos y los cicloalcanos son
hidrocarburos saturados.
Resumen de conceptos
Problema similar: 24.41.
Figura 24.10 Productos
formados a partir de la reacción
del colesterol con a) bromo
molecular, b) hidrógeno molecular y
c) ácido acético.
b) Ésta es una reacción de hidrogenación. De nuevo, el doble enlace carbono-carbono se
convierte en un enlace sencillo.
c) El ácido reacciona con el grupo hidroxilo para formar un éster y agua. En la figura
24.10 se muestran los productos de estas reacciones.
O
B
CH3
H3C
c)
CH3
CH3
C8H17
a)
CH3
HO Br C
CH3
C8H17
b)
CH3
HO
Br
C8H17
O
O
O
Ejercicio de práctica Prediga los productos de la siguiente reacción:
CH3OH 1 CH3CH2COOH ¡ ?
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Preguntas y problemas 1053
4. El etileno, CH2PCH2, es la más sencilla de las olefinas o
alquenos, una clase de hidrocarburos que contiene dobles
enlaces carbono-carbono y que tiene la fórmula general
CnH2n.
5. El acetileno, CHP
OCH, es el más sencillo de los alquinos,
que son compuestos con la fórmula general CnH2n22, y
contienen triples enlaces carbono-carbono.
6. Los compuestos que contienen uno o más anillos bencéni-
cos se denominan hidrocarburos aromáticos. En estos com-
puestos se puede llevar a cabo la sustitución por halógenos
y grupos alquilo.
7. Los grupos funcionales confieren una reactividad química
específica a las moléculas. Las clases de compuestos que
se caracterizan por sus grupos funcionales incluyen alco-
holes, éteres, aldehídos y cetonas, ácidos carboxílicos,
ésteres y aminas.
Ácido carboxílico, p. 1046
Alcano, p. 1029
Alcohol, p. 1044
Aldehído, p. 1046
Alqueno, p. 1035
Alquino, p. 1039
Amina, p. 1048
Cetona, p. 1046
Cicloalcano, p. 1035
Éster, p. 1047
Éter, p. 1045
Grupo funcional, p. 1028
Hidrocarburo, p. 1028
Hidrocarburo alifático, p. 1028
Hidrocarburo aromático, p.
1028
Hidrocarburo insaturado, p.
1037
Hidrocarburo saturado, p. 1029
Isómero estructural, p. 1029
Química orgánica, p. 1028
Reacción de condensación, p.
1045
Reacción de sustitución, p. 1042
Reacciones de adición, p. 1037
Saponificación, p. 1048
Términos básicos
Clases de compuestos orgánicos
Preguntas de repaso
24.1 Explique por qué el carbono es capaz de formar más
compuestos que cualquier otro elemento.
24.2 ¿Cuál es la diferencia entre hidrocarburos alifáticos y
aromáticos?
Hidrocarburos alifáticos
Preguntas de repaso
24.3 ¿Cuál es el significado de “saturado” e “insaturado”
cuando se aplica a los hidrocarburos? Dé ejemplos de
un hidrocarburo saturado y de un hidrocarburo insatu-
rado.
24.4 Mencione tres fuentes de metano.
24.5 Los alquenos presentan isomería geométrica debido a
que está restringida la rotación en torno al enlace CPC.
Explique.
24.6 ¿Por qué los alcanos y los alquinos, a diferencia de los
alquenos, no presentan isomería geométrica?
24.7 ¿Cuál es la regla de Markovnikov?
24.8 Describa las reacciones características de los alcanos,
de los alquenos y de los alquinos.
24.9 ¿Qué factor determina que un átomo de carbono en una
molécula sea quiral?
24.10 Dé ejemplos de un alcano sustituido quiral y de un alca-
no sustituido aquiral.
Problemas
24.11 Dibuje todos los isómeros estructurales posibles del
siguiente alcano: C7H16.
24.12 ¿Cuántos cloropentanos C5H11Cl diferentes se pueden
producir por la cloración directa del n-pentano,
CH3(CH2)3CH3? Dibuje la estructura de cada molécula.
24.13 Dibuje todos los isómeros posibles para la molécula
C4H8.
24.14 Dibuje todos los isómeros posibles para la molécula
C3H5Br.
24.15 Los isómeros estructurales del pentano, C5H12, tienen
puntos de ebullición muy diferentes (vea el ejemplo
24.1). Explique las variaciones observadas en el punto
de ebullición en función de la estructura.
24.16 Analice cómo se podría determinar cuáles de los
siguientes compuestos son alcanos, cicloalcanos,
alquenos o alquinos, sin dibujar sus fórmulas: a) C6H12,
b) C4H6, c) C5H12, d) C7H14, e) C3H4.
24.17 Dibuje las estructuras de cis-2-buteno y trans-2-buteno.
¿Cuál de los dos compuestos tendrá mayor calor de
hidrogenación? Explique.
24.18 ¿Esperaría que el ciclobutadieno fuera una molécula
estable? Explique.
H
H
COC
B
E
H
B
H
E
COC
H
H
24.19 ¿Cuántos diferentes isómeros se podrían derivar del eti-
leno si se reemplazan dos átomos de hidrógeno por un
átomo de flúor y un átomo de cloro? Dibuje sus estruc-
Preguntas y problemas
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1054 CAPÍTULO 24 Química orgánica
turas y nómbrelos. Indique cuáles representan isómeros
estructurales y cuáles son isómeros geométricos.
24.20 Sugiera dos pruebas químicas que pudieran ayudar a
distinguir entre estos dos compuestos:
a) CH3CH2CH2CH2CH3
b) CH3CH2CH2CHPCH2
24.21 El ácido sulfúrico (H2SO4) se adiciona al doble enlace
de los alquenos como H1
y –
OSO3H. Prediga los pro-
ductos que se formarán cuando el ácido sulfúrico reac-
cione con a) etileno y b) propeno.
24.22 El acetileno es un compuesto inestable. Tiende a formar
benceno, según la reacción:
Calcule el cambio de entalpía estándar, en kilojoules,
para esta reacción a 25°C.
24.23 Prediga los productos que se obtienen a partir de la
adición de HBr a: a) 1-buteno y b) 2-buteno.
24.24 Los isómeros geométricos no se limitan a los compues-
tos que contienen el enlace CPC. Por ejemplo, ciertos
cicloalcanos disustituidos pueden existir en las formas
cis y trans. Marque las siguientes moléculas como el
isómero cis o trans del mismo compuesto:
b)
a)
H
A
A
H
H
A
A
H
Cl
A
A
H
Cl
A
A
H
H
A
A
Cl
Cl
A
A
H
24.25 ¿Cuáles de los siguientes aminoácidos son quirales?:
a) CH3CH(NH2)COOH, b) CH2(NH2)COOH,
c) CH2(OH)CH(NH2)COOH
24.26 Nombre los siguientes compuestos:
CH3OCHOCH2OCH2OCH3
CH3
A
a)
CH3OCHOOCHOCHOCH3
C2H5
A
CH3
A
CH3
A
b)
CH3OCH2OCHOCH2OCH3
A
CH2OCH2OCH3
c)
CH2PCHOCHOCHPCH2
CH3
A
d)
CH3OC COCH2OCH3
e) O
O
O
CH3OCH2OCHOCHPCH2
A
f)
24.27 Escriba las fórmulas estructurales de los siguientes
compuestos orgánicos: a) 3-metilhexano, b) 1,3,5-tri-
clorociclohexano, c) 2,3-dimetilpentano, d) 2-bromo-
4-fenilpentano, e) 3,4,5-trimetiloctano.
24.28 Escriba las fórmulas estructurales de los siguientes
compuestos: a) trans-2-penteno, b) 2-etil-1-buteno, c)
4-etil-trans-2-hepteno, d) 3-fenil-butino.
Hidrocarburos aromáticos
Preguntas de repaso
24.29 Comente acerca de la gran estabilidad del benceno
comparada con la del etileno. ¿Por qué el etileno pre-
senta reacciones de adición mientras que el benceno
experimenta reacciones de sustitución?
24.30 Tanto la molécula de benceno como la de ciclohexano
contienen un anillo de seis miembros. El benceno tiene
una molécula plana y el ciclohexano no. Explique.
Problemas
24.31 Escriba las estructuras de los siguientes compuestos: a)
1-bromo-3-metilbenceno, b) 1-cloro-2-propilbenceno,
c) 1,2,4,5-tetrametilbenceno.
24.32 Nombre los siguientes compuestos:
a)
Cl
A
A
CH3
H
Cl
NO2
A
A
NO2
H
CH2CH3
b)
CH3
A
A
CH3
c)
H3C
E
E
CH3
Química de los grupos funcionales
Preguntas de repaso
24.33 ¿Qué son los grupos funcionales? ¿Por qué es lógico y
útil clasificar los compuestos orgánicos de acuerdo con
sus grupos funcionales?
24.34 Dibuje la estructura de Lewis para cada uno de los
siguientes grupos funcionales: alcohol, éter, aldehído,
cetona, ácido carboxílico, éster, amina.
Problemas
24.35 Dibuje estructuras para moléculas con las siguientes
fórmulas: a) CH4O, b) C2H6O, c) C3H6O2, d) C3H8O.
24.36 Clasifique cada una de las siguientes moléculas como
alcohol, aldehído, cetona, ácido carboxílico, amina o
éter:
3C2H2(g) ¡ C6H6(l)
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Preguntas y problemas 1055
a) CH3OOOCH2OCH3
b) CH3OCH2ONH2
c) CH3OCH2OC
J
O
G
H
d) CH3OCOCH2OCH3
B
O
e) HOCOOH
O
B
f) CH3OCH2OCH2OOH
OCH2OCOOCOOH
NH2
A
A
H
O
B
g)
24.37 Por lo general los aldehídos se oxidan al aire más fácil-
mente que las cetonas. Utilice acetaldehído y acetona
como ejemplos y demuestre por qué en este aspecto las
cetonas, como la acetona, son más estables que los
aldehídos.
24.38 Complete la siguiente ecuación e identifique los pro-
ductos:
24.39 Un compuesto tiene la fórmula empírica C5H12O.
Mediante oxidación controlada se convierte en un com-
puesto cuya fórmula empírica es C5H10O, que se
comporta como una cetona. Dibuje las estructuras posi-
bles para el compuesto original y el compuesto final.
24.40 Un compuesto con la fórmula molecular C4H10O no
reacciona con sodio metálico. En presencia de la luz, el
compuesto reacciona con Cl2 para formar tres com-
puestos de fórmula C4H9OCl. Dibuje una estructura
para el compuesto original, consistente con esta infor-
mación.
24.41 Prediga el producto o productos de cada una de las
siguientes reacciones:
24.42 Identifique los grupos funcionales en cada una de las
siguientes moléculas:
a) CH3CH2COCH2CH2CH3
b) CH3COOC2H5
c) CH3CH2OCH2CH2CH2CH3
Problemas adicionales
24.43 Dibuje todos los isómeros estructurales posibles para la
molécula que tiene la fórmula C7H7Cl. La molécula
contiene un anillo bencénico.
24.44 Dados los siguientes datos
calcule el calor de hidrogenación del acetileno:
24.45 Sugiera cuál miembro de cada uno de los siguientes
pares de compuestos es más reactivo y explique la
razón: a) propano y ciclopropano; b) etileno y metano;
c) acetaldehído y acetona.
24.46 Sugiera cuáles de los siguientes tipos de compuestos
pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas de
agua: a) ácidos carboxílicos, b) alquenos, c) éteres, d)
aldehídos, e) alcanos, f) aminas.
24.47 Se encontró que un compuesto orgánico contiene 37.5%
de carbono, 3.2% de hidrógeno y 59.3% de flúor (% en
masa). A partir de 1.00 g de la sustancia, a 90°C, se
obtuvieron los siguientes datos de presión y volumen:
P (atm) V (L)
2.00 0.332
1.50 0.409
1.00 0.564
0.50 1.028
Se sabe que la molécula no tiene un momento dipolar.
a) ¿Cuál es la fórmula empírica de esta sustancia? b)
¿Esta sustancia se comporta como un gas ideal? c)
¿Cuál es su fórmula molecular? d) Dibuje la estructura
de Lewis para esta molécula y describa su geometría. e)
¿Cuál es el nombre sistemático del compuesto?
24.48 Mencione por lo menos un uso comercial para cada uno
de los siguientes compuestos: a) 2-propanol (isopropa-
nol), b) ácido acético, c) naftaleno, d) metanol, e) eta-
nol, f ) etilenglicol, g) metano, h) etileno.
24.49 ¿Cuántos litros de aire (78% de N2, 22% de O2 en volu-
men) a 20°C y 1.00 atm se necesitan para la combustión
completa de 1.0 L de octano, C8H18, un componente
típico de la gasolina que tiene una densidad de 0.70 g/
mL?
24.50 ¿Cuántos enlaces sigma carbono-carbono están presen-
tes en cada una de las siguientes moléculas? a) 2-butino,
b) antraceno (vea la figura 24.7), c) 2,3-di-metilpenta-
no.
24.51 ¿Cuántos enlaces sigma carbono-carbono están presen-
tes en cada una de las siguientes moléculas? a) bence-
no, b) ciclobutano, c) 3-etil-2-metilpentano.
HCOOH 1 CH3OH ¡
C2H4(g) 1 3O2(g) ¡ 2CO2(g) 1 2H2O(l)
¢H° 5 21 411 kJ/mol
2C2H2(g) 1 5O2(g) ¡ 4CO2(g) 1 2H2O(l)
¢H° 5 22 599 kJ/mol
H2(g) 1 1
2O2(g) ¡H2O(l)
¢H° 5 2285.8 kJ/mol
C2H2(g) 1 H2(g) ¡ C2H4(g)
a) CH3CH2OH 1 HCOOH ¡
HOC COCH3 H2 88n
b) O
O
O
CPC HBr 888n
C2H5
G
H
D
D
H
G
H
c)
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1056 CAPÍTULO 24 Química orgánica
24.52 La combustión de 20.63 mg del compuesto Y, que sólo
contiene C, H y O, con un exceso de oxígeno, produjo
57.94 mg de CO2 y 11.85 mg de H2O. a) Calcule cuán-
tos miligramos de C, H y O había en la muestra original
de Y. b) Deduzca la fórmula empírica de Y. c) Sugiera
una estructura factible para Y si la fórmula empírica es
la misma que la molecular.
24.53 Dibuje todos los isómeros estructurales para los com-
puestos con la fórmula C4H8Cl2. Indique cuáles son
quirales y dé sus nombres sistemáticos.
24.54 La combustión de 3.795 mg de un líquido B, que sólo
contiene C, H y O, con un exceso de oxígeno, produjo
9.708 mg de CO2 y 3.969 mg de H2O. En una determi-
nación de su masa molar, se evaporó 0.205 g de B a
1.00 atm y 200.0°C y ocupó un volumen de 89.8 mL.
Deduzca la fórmula empírica, la masa molar y la fór-
mula molecular de B y dibuje tres estructuras factibles.
24.55 Partiendo de 3-metil-1-butino, muestre cómo se podrían
preparar los siguientes compuestos:
CH2PCOCHOCH3
CH3
A
Br
A
a)
CH2BrOCBr2OCHOCH3
CH3
A
b)
CH3OCHOCHOCH3
CH3
A
Br
A
c)
24.56 Marque los átomos de carbono asimétricos en los
siguientes compuestos:
CH3OCH2OCHOCHOCONH2
CH3
A
A
NH2
O
B
a)
H
A
A
H
H
A
A
Br
H
A
A
Br
b)
24.57 Suponga que el benceno contiene tres enlaces sencillos
y tres enlaces dobles. ¿Cuántos isómeros diferentes se
esperarían para el diclorobenceno (C6H4Cl2)? Dibuje
todas las estructuras propuestas.
24.58 Escriba la fórmula estructural de un aldehído que sea
isómero estructural de la acetona.
24.59 Dibuje las estructuras de los siguientes compuestos: a)
ciclopentano, b) cis-2-buteno, c) 2-hexanol, d) 1,4-
dibromobenceno, e) 2-butino.
24.60 Diga a qué clase pertenecen los siguientes compuestos:
a) C4H9OH
b) CH3OC2H5
c) C2H5CHO
d) C6H5COOH
e) CH3NH2
24.61 El etanol, C2H5OH, y el éter dimetílico, CH3OCH3, son
isómeros estructurales. Compare sus puntos de fusión y
de ebullición, y sus solubilidades en agua.
24.62 Las aminas son bases de Brønsted. El desagradable olor
del pescado se debe a la presencia de ciertas aminas.
Explique por qué los cocineros suelen agregar jugo
de limón para eliminar el olor del pescado (además de
mejorar su sabor).
24.63 Suponga que tiene dos recipientes, cada uno con un
líquido incoloro. Sabe que uno de los líquidos es
ciclohexano y el otro es benceno. Sugiera una prueba
química que le permita distinguir entre estos dos líqui-
dos.
24.64 Dé los nombres químicos de los siguientes compuestos
orgánicos y escriba sus fórmulas: gas de los pantanos,
alcohol de grano, alcohol de madera, alcohol de fric-
ción, anticongelante, bolitas de naftalina, ingrediente
principal del vinagre.
24.65 El compuesto CH3OCP
OCOCH3 se hidrogena hasta
un alqueno, utilizando platino como catalizador.
Prediga si el producto será el isómero trans puro, el
isómero cis puro, o una mezcla de los dos isómeros.
Con base en la predicción, comente acerca del mecanis-
mo de la catálisis heterogénea.
24.66 ¿Cuántos átomos de carbono asimétricos están presen-
tes en cada uno de los siguientes compuestos?
H
A
A
Cl
H
A
A
H
H
A
A
H
HOCOCOCOCl
a)
OH
A
A
H
CH3
A
A
H
H3COCOOCOCH2OH
b)
CH2OH
A
C
A
H
OH
A
C
A
H
OH
A
C
A
H
H
A
C
A
OH
H
A
C
A
HO
c)
O
24.67 El isopropanol se prepara a partir de la reacción del
propileno (CH3CHCH2) con ácido sulfúrico seguida de
tratamiento con agua. a) Muestre la secuencia de pasos
que llevan al producto. ¿Cuál es el papel del ácido sul-
fúrico? b) Dibuje la estructura de un alcohol que sea
isómero del isopropanol. c) ¿Es quiral la molécula de
isopropanol? d) ¿Cuál propiedad del isopropanol lo
hace útil como alcohol de fricción?
24.68 Cuando se expone a la luz una mezcla de metano y
vapor de bromo, ocurre lentamente la siguiente reac-
ción:
CH4(g) 1 Br2(g) ¡ CH3Br(g) 1 HBr(g)
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Respuestas a los ejercicios de práctica 1057
Sugiera un mecanismo para esta reacción. (Sugerencia:
Los vapores de bromo son de color rojo oscuro, el
metano es incoloro.)
24.69 En condiciones de catálisis ácida, los alquenos reaccio-
nan con agua para formar alcoholes. Como en el caso
de los halogenuros de hidrógeno, la reacción de adición
en la formación del alcohol también está regida por la
regla de Markovnikov. Un alqueno de una masa molar
de aproximadamente 42 g reacciona con agua y ácido
sulfúrico para producir un compuesto que reacciona
con disolución de dicromato de potasio para producir
una cetona. Identifique todos los compuestos en los
pasos precedentes.
24.70 La 2-butanona puede reducirse a 2-butanol haciendo
uso de reactivos como el hidruro de litio y aluminio
(LiAlH4). a) Escriba la fórmula del producto. ¿Es qui-
ral? b) En realidad, el producto no presenta actividad
óptica. Explique.
24.71 Escriba las estructuras de tres alquenos que produzcan
2-metilbutano luego de sufrir hidrogenación.
24.72 Un alcohol se convirtió en ácido carboxílico con dicro-
mato ácido de potasio. Se agregó una muestra de 4.46 g
del ácido a 50.0 mL de NaOH 2.27 M, y el exceso de
NaOH requirió 28.7 mL de HCl 1.86 M para la neutra-
lización. ¿Cuál es la fórmula molecular del alcohol?
24.73 Escriba las fórmulas estructurales de los alcoholes con
la fórmula C6H13O, e indique las que sean quirales.
Muestre sólo los átomos de C y los grupos OOH.
24.74 Grasa o aceite son los nombres para una misma clase de
compuestos, denominados triglicéridos, que contienen
tres grupos éster
CH2OOOCOR
A
A
A
CHOOOCOR	
A
A
A
CH2OOOCOR
O
B
O
B
O
B
Grasa o aceite
donde R, R9 y R0 representan largas cadenas hidrocar-
bonadas. a) Sugiera una reacción que conduzca a la
formación de una molécula de triglicérido, iniciando
con glicerol y ácidos carboxílicos (para la estructura del
glicerol vea la página 476). b) Antiguamente, los jabo-
nes se hacían hidrolizando las grasas animales con lejía
(una disolución de hidróxido de sodio). Escriba una
ecuación para esta reacción. c) La diferencia entre gra-
sas y aceites es que, a temperatura ambiente, las prime-
ras son sólidas, y los segundos, líquidos. En general las
grasas son de origen animal, en tanto que los aceites
suelen ser de origen vegetal. Los puntos de fusión de
estas sustancias dependen del número de enlaces CPC
(o del grado de insaturación) presentes: cuanto mayor
sea el número de enlaces CPC, menor será el punto de
fusión y mayor la probabilidad de que la sustancia sea
líquida. Explique. d) Una forma de convertir un aceite
líquido en una grasa sólida es hidrogenando el aceite,
un proceso mediante el cual algunos o todos los enlaces
CPC se convierten en enlaces C—C. Este proceso pro-
longa la vida de almacenamiento del aceite, al eliminar
los grupos CPC, más reactivos, y facilita su empaque.
¿Cómo se podría realizar este proceso (es decir, qué
reactivos y cuál catalizador se emplearían)? e) El grado
de insaturación de un aceite se determina haciendo
reaccionar el aceite con yodo, que reacciona con el
enlace CPC, como se muestra:
I I
A A A A A A A A
OCOCPCOCO + I2 88n OCOCOCOCO
A A A A A A
El procedimiento consiste en adicionar al aceite una
cantidad conocida de yodo y dejar que la reacción se
complete. La cantidad de yodo en exceso (que no reac-
cionó) se determina valorando el yodo que queda con
una disolución patrón de tiosulfato de sodio (Na2S2O3):
El número de gramos de yodo que reaccionan con 100
gramos del aceite recibe el nombre de índice de yodo.
En un experimento se agregaron 43.8 g de I2 a 35.3 g de
aceite de maíz. El exceso de yodo requirió de 20.6 mL
de una disolución de Na2S2O3 0.142 M para la neutrali-
zación. Calcule el índice de yodo del aceite de maíz.
24.1 5.
24.2 4,6-dietil-2-metiloctano
24.3 CH3OCHOCH2OCHOCHOCHOCH2OCH3
CH3
A
CH3
A
C2H5
A
CH3
A
24.4 No.
24.5 CH3CH2COOCH3 y H2O.
Respuestas a los ejercicios de práctica
I2 1 2Na2S2O3 ¡ Na2S4O6 1 2NaI
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1058
Desaparición de huellas digitales*
En 1993 se suscitó el secuestro de una niña, a quien sacaron de
su hogar en un automóvil. Poco después logró escapar de manos
de su captor y, con la ayuda de un vecino, volvió segura y a salvo a
su hogar. Pocos días después la policía arrestó a un sospechoso y
recuperó el auto. Al recabar las pruebas en contra de aquel hombre,
los oficiales se dieron cuenta de que carecían de evidencias contun-
dentes. La descripción detallada de la niña indicaba que ella debió
haber estado en el auto, aunque ninguna de sus huellas se pudo
encontrar. Por fortuna, la policía pudo vincular a la víctima con el
auto y su dueño al comparar las fibras encontradas en el interior con
las del camisón de la niña.
¿Qué son las huellas digitales? Las yemas de nuestros dedos
están grabadas con poros de sudor. Cuando un dedo toca algo, el
sudor de esos poros se deposita en la superficie, proporcionando una
imagen exacta del patrón de surcos, llamado huella digital. No exis-
ten dos individuos con las mismas huellas digitales. Este hecho hace
que la correspondencia de huellas digitales sea uno de los métodos
más eficaces para identificar a sospechosos criminales.
¿Por qué la policía no pudo encontrar las huellas de la niña en
el auto? El residuo que se deposita mediante las huellas dactilares es
de cerca de 99% de agua. El otro 1% contiene aceites y ácidos gra-
sos, ésteres, aminoácidos y sales. Las muestras de huellas digitales
de personas adultas contienen aceites pesados y cadenas largas de
carbono ligadas entre sí por grupos de éster, pero las muestras de los
niños contienen en su mayoría cadenas más cortas de grasa y no
esterificadas, que son más ligeras y volátiles. (Los átomos de hidró-
geno se omiten con fines de claridad.)
J
O
G
OH
COCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOC
de la huella digital de un niño
OOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOC
COCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOC
D
M
O
de la huella digital de un adulto
En general, las huellas digitales de una persona adulta duran al menos varios días, pero las de los
niños muchas veces se desvanecen en el transcurso de 24 horas. Por esta razón, en casos que
implican niños, la investigación de la escena del crimen debe realizarse con mucha rapidez.
*
Adaptado con autorización de “The Disappearing Fingerprints” por Deborah Noble, CHEM MATTERS, febre-
ro de 1997, p. 9. Derechos reservados 1997 American Chemical Society.
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  • 1. StuDocu no está patrocinado ni avalado por ningún colegio o universidad. Raymond Chang Quimica Organica capitulo 24 Química Industrial (Universidad Nacional de La Matanza) StuDocu no está patrocinado ni avalado por ningún colegio o universidad. Raymond Chang Quimica Organica capitulo 24 Química Industrial (Universidad Nacional de La Matanza) Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 2. Una planta química. Muchos compuestos orgánicos pequeños como ácido acético, benceno, etileno, formaldehído y metanol conforman la base de las multimillonarias industrias farmacéutica y de polímeros. Química orgánica Avance del capítulo • Comenzaremos con la definición del alcance y la naturaleza de la química orgánica. (24.1) • A continuación examinaremos los hidrocarburos alifáticos. Primero, estudiaremos la nomenclatura y las reacciones de los alcanos. Examinaremos el isomerismo óptico de los alcanos sustituidos y también las propiedades de los cicloalcanos. Después, estudiaremos los hidrocarburos insaturados, es decir, los alquenos y los alquinos, moléculas que contienen dobles y triples enlaces carbono-carbono. Centraremos nuestro estudio en su nomenclatura, sus propiedades y sus isómeros geométricos. (24.2) • Todos los compuestos aromáticos contienen uno o más anillos de benceno. En gene- ral son más estables que muchos de los hidrocarburos alifáticos. (24.3) • Por último, observaremos que la reactividad de los compuestos orgánicos puede explicarse gracias a la presencia de los grupos funcionales. Clasificaremos los grupos funcionales con contenido de oxígeno y nitrógeno en alcoholes, éteres, aldehídos y cetonas, ácidos carboxílicos, ésteres y aminas. (24.4) Sumario 24.1 Clases de compuestos orgánicos 24.2 Hidrocarburos alifáticos 24.3 Hidrocarburos aromáticos 24.4 Química de los grupos funcionales Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 3. 1028 CAPÍTULO 24 Química orgánica La química orgánica estudia los compuestos del carbono. Los químicos del siglo xviii utilizaban la palabra “orgánico” para describir las sustancias que se obtenían de fuentes vivas, como plantas y animales. Estos químicos creían que la naturaleza poseía cierta fuerza vital y que sólo las cosas vivas podían producir compuestos orgánicos. Esta concepción romántica se desechó en 1828, cuando el químico alemán Friedrich Wöhler preparó urea, un compuesto orgánico, a partir de la reacción de dos compuestos inorgánicos, cianato de plomo y amoniaco acuoso: En la actualidad se conocen más de 20 millones de compuestos orgánicos sintéticos y naturales. Este número es mucho mayor que los 100 000 o más compuestos inorgánicos que se conocen. 24.1 Clases de compuestos orgánicos El carbono puede constituir más compuestos que ningún otro elemento, porque los átomos de carbono tienen la capacidad de formar enlaces carbono-carbono sencillos, dobles y triples, y también de unirse entre sí formando cadenas o estructuras cíclicas. La rama de la química que estudia los compuestos del carbono es la química orgánica. Las clases de compuestos orgánicos se distinguen de acuerdo con los grupos funcio- nales que contienen. Un grupo funcional es un grupo de átomos responsable del com- portamiento químico de la molécula que lo contiene. Moléculas diferentes que contienen la misma clase de grupo o grupos funcionales reaccionan de manera semejante. Así, me- diante el aprendizaje de las propiedades características de unos cuantos grupos funciona- les, es posible estudiar y entender las propiedades de muchos compuestos orgánicos. En la segunda mitad de este capítulo analizaremos los grupos funcionales conocidos como alcoholes, éteres, aldehídos y cetonas, ácidos carboxílicos y aminas. La mayor parte de los compuestos orgánicos se derivan de un grupo de compuestos conocidos como hidrocarburos, debido a que están formados sólo por hidrógeno y car- bono. Con base en la estructura, los hidrocarburos se dividen en dos clases principales: alifáticos y aromáticos. Los hidrocarburos alifáticos no contienen el grupo benceno o anillo bencénico, en tanto que los hidrocarburos aromáticos contienen uno o más de ellos. 24.2 Hidrocarburos alifáticos Los hidrocarburos alifáticos se dividen en alcanos, alquenos y alquinos, que estudiaremos a continuación (figura 24.1). Cl F S O P N Si C B H Br I 1A 3A 2A 4A 5A 6A 7A 8A Elementos comunes en los com- puestos orgánicos. Alifáticos Aromáticos Hidrocarburos Alcanos Cicloalcanos Alquenos Alquinos Figura 24.1 Clasificación de los hidrocarburos. Recuerde que la unión de átomos pa- recidos se denomina “concatenación”. La capacidad del carbono para conca- tenarse se analizó en la sección 22.3. Observe que todos los hidrocarburos satisfacen la regla del octeto. Pb(OCN)2 1 2NH3 1 2H2O ¡ 2(NH2)2CO 1 Pb(OH)2 a e r u Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 4. 24.2 Hidrocarburos alifáticos 1029 Alcanos Los alcanos tienen la fórmula general CnH2n12, donde n 5 1, 2, … La principal caracte- rística de las moléculas hidrocarbonadas alcanos es que sólo presentan enlaces covalentes sencillos. Los alcanos se conocen como hidrocarburos saturados porque contienen el número máximo de átomos de hidrógeno que pueden unirse con la cantidad de átomos de carbono presentes. El alcano más sencillo (es decir, con n 5 1) es el metano, CH4, que es un producto natural de la descomposición bacteriana anaerobia de la materia vegetal subacuática. Debido a que se recolectó por primera vez en los pantanos, el metano llegó a conocerse como “gas de los pantanos”. Las termitas constituyen una fuente bastante inverosímil pero comprobada de metano. Cuando estos voraces insectos consumen madera, los mi- croorganismos que habitan en su sistema digestivo degradan la celulosa (el componente principal de la madera) hasta metano, dióxido de carbono y otros compuestos. ¡Se calcu- la que las termitas producen anualmente 170 millones de toneladas de metano! También se produce en algunos procesos de tratamiento de desechos. A escala comercial, el meta- no se obtiene del gas natural. En la sección “Química en acción” de la página 1040 se describe un compuesto interesante formado por moléculas de metano y de agua. En la figura 24.2 se representan las estructuras de los primeros cuatro alcanos (desde n 5 1 hasta n 5 4). El gas natural es una mezcla de metano, etano y una pequeña can- tidad de propano. En el capítulo 10 revisamos el esquema del enlace en el metano. En efecto, se supone que los átomos de carbono en todos los alcanos presentan hibridación sp3 . Las estructuras del etano y el propano son únicas dado que sólo hay una forma de unir los átomos de carbono en estas moléculas. Sin embargo, el butano tiene dos posibles esquemas de enlace, dando como resultado isómeros estructurales, n-butano (la n indica normal) e isobutano, moléculas que tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructura. Los alcanos como los isómeros estructurales del butano se describen como de cadena lineal o de estructura ramificada. El n-butano es un alcano de cadena lineal porque los átomos de carbono están unidos a lo largo de una línea. En un alcano de cadena ra- mificada, como el isobutano, uno o más átomos de carbono están unidos por lo menos a otros tres átomos de carbono. En la serie de los alcanos, a medida que aumenta el número de átomos de carbono, se incrementa rápidamente el número de isómeros estructurales. Por ejemplo, el butano, C4H10, tiene dos isómeros; el decano, C10H22, tiene 75 isómeros, y el alcano, C30H62, ¡tiene más de 400 millones, o 4 3 108 isómeros posibles! Por supuesto, la mayor parte de estos isómeros no existe en la naturaleza ni se ha sintetizado. De cualquier manera, los números ayudan a explicar por qué el carbono se encuentra en muchos más compuestos que cualquier otro elemento. El ejemplo 24.1 se refiere al número de isómeros estructurales de un alcano. Las termitas son una fuente natural de metano. Figura 24.2 Estructuras de los primeros cuatro alcanos. Observe que el butano puede existir en dos formas estructuralmente diferentes, denominadas isómeros estructurales. H C Metano Etano Propano Isobutano n-Butano A O O O A H H H H C A O O A H H O A A H H H C C A O O O A H H A A H H H C O A A H H H C C A O O O A H H A A H H H C O A A H H C A A H H H C H C A O O O A H H A A H H H C O A A H H C O OC H H A A A Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 5. 1030 CAPÍTULO 24 Química orgánica En la tabla 24.1 se indican los puntos de fusión y ebullición de los isómeros de ca- dena lineal de los primeros 10 alcanos. Los primeros cuatro son gases a temperatura ambiente, y del pentano al decano son líquidos. Al aumentar el tamaño molecular se in- crementa el punto de ebullición porque aumentan las fuerzas de dispersión (vea la sección 11.2). Nomenclatura de los alcanos La nomenclatura de los alcanos y de todos los demás compuestos orgánicos se basa en las recomendaciones de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Los cuatro primeros alcanos (metano, etano, propano y butano) tienen nombres no sistemáticos. Como se observa en la tabla 24.1, el número de átomos de carbono se refleja en el prefi- jo griego de los alcanos que contienen entre cinco y 10 carbonos. A continuación aplica- remos las reglas de la IUPAC para los siguientes ejemplos: 1. El nombre base del hidrocarburo está dado por la cadena continua más larga de áto- mos de carbono en la molécula. Así, el nombre base del siguiente compuesto es heptano, porque hay siete átomos de carbono en la cadena más larga. Problema similar: 24.11. Ejemplo 24.1 ¿Cuántos isómeros estructurales se pueden identificar para el pentano, C5H12? Estrategia Para moléculas de hidrocarburos pequeños (ocho átomos de carbono o menos), es relativamente fácil determinar el número de isómeros estructurales por ensayo y error. Solución El primer paso es escribir la estructura de cadena lineal: HOCOCOCOCOCOH H A A H H A A H H A A H H A A H H A A H n-pentano (p.e. 36.1°C) La segunda estructura debe ser, por necesidad, una cadena ramificada: HOCOCO O OCOCOH H A A H CH3 A C A H H A A H H A A H 2-metilbutano (p.e. 27.9°C) También es factible otra estructura ramificada: HOCOCO O OCOH H A A H CH3 A A CH3 H A A H 2,2-dimetilpropano (p.e. 9.5°C) No podemos dibujar otra estructura para un alcano cuya fórmula molecular sea C5H12. Así, el pentano tiene tres isómeros estructurales, en los que los números de átomos de carbo- no e hidrógeno permanecen constantes a pesar de las diferencias de estructura. Ejercicio de práctica ¿Cuántos isómeros estructurales hay en el alcano C6H14? n-pentano 2-metilbutano 2,2-dimetilpropano CH3OCH2OCH2OCHOCH2OCH2OCH3 7 1 2 3 4 5 6 CH3 A Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 6. 24.2 Hidrocarburos alifáticos 1031 2. Un alcano menos un átomo de hidrógeno es un grupo alquilo. Por ejemplo, cuando se remueve un átomo de hidrógeno del metano, queda el fragmento CH3, que recibe el nombre de grupo metilo. De manera similar, al eliminar un átomo de hidrógeno de la molécula de etano se forma un grupo etilo, o C2H5. En la tabla 24.2 se muestran los nombres de varios grupos alquilo comunes. Cualquier ramificación de la cadena más larga se nombra como un grupo alquilo. 3. Cuando se reemplazan uno o más átomos de hidrógeno por otros grupos, el nombre del compuesto debe indicar la localización de los átomos de carbono donde se hicie- ron los reemplazos. El procedimiento que se sigue es numerar cada uno de los átomos de carbono de la cadena más larga en la dirección en que las localizaciones de todas las ramificaciones tengan los números más pequeños. Considere las dos diferentes formas para el mismo compuesto que se presentan a continuación: 4-metilpentano 2-metilpentano CH3OCH2OCH2OCHOCH3 CH3OCHOCH2OCH2OCH3 1 3 4 2 5 1 2 4 3 5 CH3 A CH3 A El compuesto del lado izquierdo tiene la numeración correcta, ya que el grupo meti- lo está localizado en el carbono 2 de la cadena del pentano; en el compuesto del lado Número de Nombre del Fórmula átomos de Punto de Punto de hidrocarburo molecular carbono fusión (°C) ebullición (°C) Metano CH4 1 2182.5 2161.6 Etano CH3OCH3 2 2183.3 288.6 Propano CH3OCH2OCH3 3 2189.7 242.1 Butano CH3O(CH2)2OCH3 4 2138.3 20.5 Pentano CH3O(CH2)3OCH3 5 2129.8 36.1 Hexano CH3O(CH2)4OCH3 6 295.3 68.7 Heptano CH3O(CH2)5OCH3 7 290.6 98.4 Octano CH3O(CH2)6OCH3 8 256.8 125.7 Nonano CH3O(CH2)7OCH3 9 253.5 150.8 Decano CH3O(CH2)8OCH3 10 229.7 174.0 Tabla 24.1 Los primeros 10 alcanos de cadena lineal Nombre Fórmula Metilo OCH3 Etilo OCH2OCH3 n-Propilo OCH2OCH2OCH3 n-Butilo OCH2OCH2OCH2OCH3 Isopropilo OCOH CH3 A A CH3 t-Butilo* OCOCH3 CH3 A A CH3 Tabla 24.2 Grupos alquilo comunes * La letra t significa terciario. Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 7. 1032 CAPÍTULO 24 Química orgánica derecho, el grupo metilo está localizado en el carbono 4. Así, el nombre del compues- to es 2-metilpentano y no 4-metilpentano. Observe que el nombre de la ramificación y el nombre base se escriben como una sola palabra y que, después del número, se coloca un guión. 4. Cuando hay más de una ramificación de grupos alquilo de la misma clase, se utilizan los prefijos di-, tri- o tetra- antes del nombre del grupo alquilo. Considere los siguien- tes ejemplos: CH3OCHOCHOCH2OCH2OCH3 CH3OCH2OCOCH2OCH2OCH3 CH3 A A CH3 1 2 4 3 6 1 4 5 3 6 2 5 3,3-dimetilhexano 2,3-dimetilhexano CH3 A CH3 A Cuando hay dos o más grupos alquilo diferentes, los nombres de los grupos se dis- ponen alfabéticamente. Por ejemplo: CH3OCH2OCHOCHOCH2OCH2OCH3 CH3 A C2H5 A 4-etil-3-metilheptano 1 3 7 4 6 5 2 5. Por supuesto, los alcanos pueden tener muchos tipos diferentes de sustituyentes. En la tabla 24.3 se incluyen los nombres de algunos sustituyentes, como el nitro y el bromo. Así, el compuesto CH3OCHOCHOCH2OCH2OCH3 NO2 A Br A 1 3 4 6 5 2 se nombra 3-bromo-2-nitrohexano. Observe que los grupos sustituyentes se disponen alfabéticamente en el nombre, y que la cadena se numera en la dirección que da el número más pequeño para el primer átomo de carbono sustituido. Ejemplo 24.2 Dé el nombre de la IUPAC para el siguiente compuesto: CH3OCOCH2OCHOCH2OCH3 CH3 A A CH3 CH3 A Estrategia Seguimos las reglas de la IUPAC y utilizamos la información en la tabla 24.2 para nombrar al compuesto. ¿Cuántos átomos de C hay en la cadena más larga? Solución La cadena más larga tiene seis átomos de C, así que el nombre base de este compuesto es hexano. Observe que hay dos grupos metilo unidos al carbono número 2 y un grupo metilo unido al carbono número 4. CH3OCOCH2OCHOCH2OCH3 CH3 A A CH3 CH3 A 3 6 1 4 5 2 Por lo tanto, este compuesto se denomina 2,2,4-trimetilhexano. Ejercicio de práctica Dé el nombre de la IUPAC del siguiente compuesto: Problema similar: 24.26. Grupo funcional Nombre ONH2 Amino OF Fluoro OCl Cloro OBr Bromo OI Yodo ONO2 Nitro OCHPCH2 Vinil Nombres de grupos sustituyentes comunes Tabla 24.3 CH3OCHOCH2OCHOCH2OCHOCH2OCH3 CH3 A C2H5 A C2H5 A Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 8. 24.2 Hidrocarburos alifáticos 1033 El ejemplo 24.3 muestra que los prefijos como di-, tri- y tetra- se usan cuando es necesario, pero se ignoran cuando se alfabetiza. Problema similar: 24.27. Los nombres sistemáticos del cloruro de metilo, cloruro de metileno y cloro- formo son: monoclorometano, dicloro- metano y triclorometano, respectivamente. Ejemplo 24.3 Escriba la fórmula estructural del 3-etil-2,2-dimetilpentano. Estrategia Seguimos el procedimiento anterior y la información en la tabla 24.2 para escribir la fórmula estructural del compuesto. ¿Cuántos átomos de C hay en la cadena más larga? Solución El compuesto base es el pentano, así que la cadena más larga tiene cinco átomos de C. Hay dos grupos metilo unidos al carbono número 2 y un grupo etilo unido al carbono número 3. Por lo tanto, la fórmula estructural del compuesto es CH3OCO OCHOCH2OCH3 CH3 A A CH3 C2H5 A 3 1 4 5 2 Ejercicio de práctica Escriba la fórmula estructural de 5-etil-2,4,6-trimetiloctano. Reacciones de los alcanos En general se considera que los alcanos no son sustancias muy reactivas. Sin embargo, en condiciones adecuadas reaccionan. Por ejemplo, el gas natural, la gasolina y el combus- tóleo son alcanos cuyas reacciones de combustión son muy exotérmicas: CH4(g) 1 2O2(g) ¡ CO2(g) 1 2H2O(l) DH° 5 2890.4 kJ/mol 2C2H6(g) 1 7O2(g) ¡ 4CO2(g) 1 6H2O(l) DH° 5 23 119 kJ/mol Éstas y otras reacciones semejantes de combustión se han utilizado durante mucho tiempo en procesos industriales, en la calefacción doméstica y para cocinar. La halogenación de los alcanos, es decir, la sustitución de uno o más átomos de hi- drógeno por átomos de halógenos, es otra clase de reacción de los alcanos. Cuando una mezcla de metano y cloro se calienta a más de 100°C o se irradia con luz de la longitud de onda apropiada, se produce cloruro de metilo: CH4(g) 1 Cl2(g) ¡ CH3Cl(g) 1 HCl(g) cloruro de metilo En presencia de un exceso de cloro gaseoso, la reacción puede continuar: CH3Cl(g) 1 Cl2(g) ¡ CH2Cl2(l) 1 HCl(g) cloruro de metileno CH2Cl2(l) 1 Cl2(g) ¡ CHCl3(l) 1 HCl(g) cloroformo CHCl3(l) 1 Cl2(g) ¡ CCl4(l) 1 HCl(g) tetracloruro de carbono Las evidencias experimentales sugieren que el paso inicial de la primera reacción de ha- logenación se lleva a cabo de la siguiente manera: Cl2 1 energía ¡ Cl · 1 Cl · Así, el enlace covalente del Cl2 se rompe y se forman dos átomos de cloro. Sabemos que el enlace C—Cl se rompe cuando se calienta o irradia la mezcla, porque la entalpía de Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 9. 1034 CAPÍTULO 24 Química orgánica enlace del Cl2 es 242.7 kJ/mol, mientras que se requieren alrededor de 414 kJ/mol para romper los enlaces C—H del CH4. Un átomo de cloro es un radical que contiene un electrón desapareado representado por un punto. Los átomos de cloro son muy reactivos y atacan las moléculas de metano de acuerdo con la ecuación CH4 1 Cl ? ¡ ? CH3 1 HCl Esta reacción produce cloruro de hidrógeno y el radical metilo ? CH3. El radical metilo es otra especie reactiva; se combina con el cloro molecular para dar cloruro de metilo y un átomo de cloro: ? CH3 1 Cl2 ¡ CH3Cl 1 Cl ? La producción de cloruro de metileno a partir del cloruro de metilo y las reacciones sub- secuentes se explican de la misma forma. El mecanismo real es más complejo que el esquema que se ha mostrado porque ocurren “reacciones secundarias” que no conducen a los productos deseados, como Cl ? 1 Cl ? ¡ Cl2 ? CH3 1 ? CH3 ¡ C2H6 Los alcanos en que se han sustituido uno o más átomos de hidrógeno por un átomo de halógeno se llaman halogenuros de alquilo. Entre el gran número de halogenuros de al- quilo, los más conocidos son el cloroformo (CHCl3), el tetracloruro de carbono (CCl4), el cloruro de metileno (CH2Cl2) y los clorofluorohidrocarbonos. El cloroformo es un líquido volátil, de sabor dulce, que durante muchos años se uti- lizó como anestésico. Sin embargo, debido a su toxicidad (puede producir daño severo en el hígado, los riñones y el corazón) se ha sustituido por otros compuestos. El tetracloruro de carbono también es una sustancia tóxica que sirve como líquido limpiador, el cual quita las manchas de grasa de la ropa. El cloruro de metileno se utiliza como disolvente para descafeinar el café y como removedor de pintura. La preparación de los clorofluorocarbonos y el efecto de estos compuestos sobre el ozono de la estratosfera se analizaron en el capítulo 20. Isomería óptica de alcanos sustituidos Los isómeros ópticos son compuestos cuyas imágenes especulares no se pueden superpo- ner. En la figura 24.3 se presentan dibujos en perspectiva de los metanos sustituidos CH2ClBr y CHFClBr y de sus imágenes especulares. Las imágenes especulares de CH2ClBr se pueden superponer, pero las de CHFClBr no, independientemente de cómo se hagan girar las moléculas. Por lo tanto, la molécula de CHFClBr es quiral. Las moléculas qui- rales más sencillas contienen por lo menos un átomo de carbono asimétrico, es decir, un átomo de carbono unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes. La isomería óptica se estudió por pri- mera vez en la sección 23.4. Ejemplo 24.4 ¿La siguiente molécula es quiral? HOCOCH2OCH3 Cl A A CH3 Animación Quiralidad Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 10. 24.2 Hidrocarburos alifáticos 1035 Cicloalcanos Los alcanos cuyos átomos de carbono se unen formando anillos se conocen como cicloal- canos. Tienen la fórmula general CnH2n, donde n 5 3, 4, … El cicloalcano más sencillo es el ciclopropano, C3H6 (figura 24.4). Muchas sustancias de importancia biológica, como el colesterol, la testosterona y la progesterona contienen uno o más de tales sistemas cí- clicos. El análisis teórico muestra que el ciclohexano puede tener dos diferentes geometrías relativamente libres de tensión (figura 24.5). “Tensión” significa que los enlaces están comprimidos, alargados o torcidos con respecto a sus formas geométricas normales pre- dichas por la hibridación sp3 . La geometría más estable es la forma de silla. Alquenos Los alquenos (también llamados olefinas) contienen por lo menos un doble enlace car- bono-carbono. Los alquenos tienen la fórmula general CnH2n, donde n 5 2, 3, . . . El Figura 24.3 a) Molécula del CH2ClBr y su imagen especular. Como la molécula y su imagen especular se pueden superponer entre sí, se dice que la molécula es aquiral. b) Molécula del CHFClBr y su imagen especular. Dado que la molécula y su imagen especular no se pueden superponer, sin importar cómo se roten entre ellas, se dice que la molécula es quiral. Problema similar: 24.25. H H H a) b) Espejo Espejo H H H H F H H H H Br Br Br Br Br Br Br Br Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl H F F F Estrategia Recuerde la condición para la quiralidad. ¿El átomo central de C es asimétrico?, es decir, ¿tiene cuatro diferentes átomos o distintos grupos unidos a él? Solución Observamos que el átomo de carbono central está unido a un átomo de hidrógeno, un átomo de cloro, un grupo —CH3 y un grupo —CH2—CH3. Por lo tanto, el átomo de carbono central es asimétrico y la molécula es quiral. Ejercicio de práctica ¿La siguiente molécula es quiral? IOCOCH2OCH3 Br A A Br Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 11. 1036 CAPÍTULO 24 Química orgánica alqueno más sencillo es C2H4, etileno, en el que ambos átomos de carbono presentan hibridación sp2 y el doble enlace está formado por un enlace sigma y un enlace pi (vea la sección 10.5). Nomenclatura de los alquenos Para nombrar los alquenos se indican las posiciones de los dobles enlaces carbono-carbo- no. Los nombres de los compuestos que contienen enlaces CPC terminan en -eno. Como en el caso de los alcanos, el nombre del compuesto base se determina por el número de átomos de carbono de la cadena más larga (vea la tabla 24.1), como se muestra aquí: 2-butano 1-butano H3COCHPCHOCH3 CH2PCHOCH2OCH3 Los números en los nombres de los alquenos indican el átomo de carbono con el número más pequeño en la cadena que es parte del enlace CPC del alqueno. El nombre “buteno” significa que hay cuatro átomos de carbono en la cadena más larga. En la nomenclatura de los alquenos se debe especificar si una molécula es cis o trans, si se trata de isómeros geométricos, como D H G CHOCH2OCH3 4-metil-trans-2-hexeno 4-metil-cis-2-hexeno 3 6 4 2 5 1 3 6 4 2 5 1 CH3 A CPC H3C G H D D CHOCH2OCH3 G H A CH3 CPC H3C G H D Propiedades y reacciones de los alquenos El etileno es una sustancia muy importante porque se utiliza en grandes cantidades en la manufactura de polímeros orgánicos (que se estudiarán en el siguiente capítulo) y en Figura 24.4 Estructuras de los primeros cuatro cicloalcanos y sus formas simplificadas. Figura 24.5 La molécula de ciclohexano puede asumir varias formas. La más estable es la forma de silla, y la menos estable, la forma de bote. Los dos tipos de átomos de H se denominan axial y ecuatorial, respectivamente. En el isómero cis, los dos átomos de H se encuentran del mismo lado del en- lace CPC; en el isómero trans, los dos átomos de H están cruzados entre sí. La isomería geométrica se presentó en la sección 23.4. Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano H C C C C H H H H H H H H C C C C H H H H H H C H C C C C H H H H H H H H H C C C C C H H H H H H H H H H H Axial Ecuatorial Forma de silla Forma de bote Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 12. 24.2 Hidrocarburos alifáticos 1037 la preparación de muchos otros compuestos orgánicos. El etileno se prepara de manera industrial por el proceso de craqueo, es decir, la descomposición térmica de un hidrocar- buro superior en moléculas más pequeñas. Cuando el etano se calienta alrededor de 800°C, se produce la siguiente reacción: Otros alquenos se pueden preparar por el craqueo de miembros superiores de la familia de los alcanos. Los alquenos se clasifican como hidrocarburos insaturados, los cuales comprenden compuestos con dobles o triples enlaces carbono-carbono que les permiten adicionar átomos de hidrógeno. Los hidrocarburos insaturados por lo general presentan reacciones de adición, en las que una molécula se adiciona a otra para formar un solo producto. La hidrogenación (vea página 963) es un ejemplo de una reacción de adición. Otras reaccio- nes de adición al enlace CPC incluyen C2H4(g) 1 HX(g) ¡ CH3OCH2X(g) C2H4(g) 1 X2(g) ¡ CH2XOCH2X(g) donde X representa un halógeno (Cl, Br o I). La adición de un halogenuro de hidrógeno a un alqueno no simétrico, como propeno, es más complicada porque se pueden formar dos productos: H A A Br H A A H HBr 888n H3COCOCOH H A A Br H A A H H3COCOCOH CPC H3C G H D D H G H y/o 1-bromopropano 2-bromopropano propano Sin embargo, en la práctica sólo se forma el 2-bromopropano. Este fenómeno fue obser- vado en todas las reacciones entre reactivos no simétricos y alquenos. En 1871, Vladimir Markovnikov1 postuló una generalización que permite predecir el resultado de las reac- ciones de adición. Esta generalización, que ahora se conoce como la regla de Markovnikov, establece que en la adición de reactivos no simétricos (es decir, polares) a alquenos, la porción positiva del reactivo (generalmente hidrógeno) se adiciona al átomo de carbono que tiene más átomos de hidrógeno. Isómeros geométricos de los alquenos En un compuesto como el etano, C2H6, la rotación de los dos grupos metilo en torno al enlace sencillo carbono-carbono (que es un enlace sigma) opera con bastante libertad. La situación es diferente para moléculas que contienen dobles enlaces carbono-carbono, como el etileno, C2H4. Además del enlace sigma, hay un enlace pi entre los dos átomos de carbono. La rotación en torno al enlace carbono-carbono no afecta al enlace sigma, pero sí mueve los dos orbitales 2pz fuera de alineación para el traslapo y, por lo tanto, destru- ye parcial o totalmente el enlace pi (vea la figura 10.16). Este proceso demanda un sumi- nistro de energía del orden de 270 kJ/mol. Por esta razón la rotación del doble enlace carbono-carbono está bastante restringida, aunque no imposible. Como consecuencia, las moléculas que contienen dobles enlaces carbono-carbono (es decir, los alquenos) pueden tener isómeros geométricos, que no se pueden interconvertir entre sí sin romper un enlace químico. Reacción de adición entre el HCl y el etileno. La interacción inicial se pre- senta entre el extremo positivo del HCl (azul) y la región rica en electro- nes del etileno (rojo), la cual está asociada con los electrones pi del enlace CPC. La densidad electrónica es mayor sobre el átomo de carbono del gru- po CH2 en el propeno. 1 Vladimir W. Markovnikov (1838-1904). Químico ruso. Las observaciones de Markovnikov de las reacciones de adición a los alquenos se publicaron un año después de su muerte. C2H6(g) O OO¡ catalizador Pt CH2PCH2(g) 1 H2(g) Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 13. 1038 CAPÍTULO 24 Química orgánica La molécula de dicloroetileno, ClHCPCHCl, se presenta como uno de dos isómeros geométricos llamados cis-dicloroetileno y trans-dicloroetileno: 8 8 8 n m 8 8 m 8 8 m 8 8 m 8 8 m 8 8 m 8 8 m 8 8 m 8 8 momento dipolar resultante m 88 cis-dicloroetileno m 1.89 D p.e. 60.3C trans-dicloroetileno m 0 p.e. 47.5C CPC Cl G H D D Cl G H CPC H G Cl D D Cl G H donde el término cis significa que dos átomos específicos (o grupos de átomos) son ad- yacentes entre sí, y trans quiere decir que los dos átomos (o grupos de átomos) están en lados opuestos. En general, los isómeros cis y trans tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes. Por lo común, se utiliza calor o radiación luminosa para convertir un isómero geométrico en el otro; a este proceso se le denomina isomerización cis-trans o isomerización geométrica. Como muestran los datos anteriores, las mediciones del mo- mento dipolar sirven para distinguir entre isómeros geométricos. En general, los isómeros cis poseen momento dipolar, pero los trans no. Isomerización cis-trans en el proceso de visión Las moléculas en la retina que responden a la luz son las rodopsinas, las cuales tienen dos componentes, denominados 11-cis retinal y opsina (figura 24.6). El retinal es el com- ponente fotosensible y la opsina es una molécula proteínica. Cuando se recibe un fotón en la región visible, el 11-cis retinal se isomeriza al retinal, cuyos dobles enlaces son todos trans, mediante la ruptura de un enlace pi carbono-carbono. Cuando el enlace pi se rompe, el enlace sigma carbono-carbono restante se encuentra en libertad para girar y transformarse en el retinal. En este punto se genera un impulso eléctrico que se transmite al cerebro, el cual forma una imagen visual. El retinal todo trans no se fija en el sitio de unión sobre la opsina, y eventualmente se separa de la proteína. Con el tiempo, el isóme- ro trans se convierte de nuevo en 11-cis retinal mediante una enzima (en la ausencia de luz), se genera rodopsina al unir el isómero cis a la opsina, y el ciclo visual puede co- menzar de nuevo. En el cis-dicloroetileno (parte supe- rior), los momentos de enlace se refuerzan entre sí, y la molécula es polar. Lo contrario se aplica para el trans-dicloroetileno, y la molécula es no polar. Micrografía electrónica de células con forma de bastones (que contie- nen rodopsinas) en la retina. Opsina Opsina isómero 11-cis isómero con enlaces trans luz 11 12 11 12 Figura 24.6 El evento principal en el proceso de visión es la conversión que hace el 11-cis retinal al isómero cuyos dobles enlaces son todos trans sobre la rodopsina. El enlace doble en el cual ocurre la isomerización se ubica entre el carbono 11 y el carbono 12. Por simplicidad, la mayor parte de los átomos de H se omitieron. En ausencia de luz, esta transformación tiene lugar aproximadamente una vez cada mil años. Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 14. 24.2 Hidrocarburos alifáticos 1039 Alquinos Los alquinos contienen por lo menos un triple enlace carbono-carbono. Tienen la fórmu- la general CnH2n22, donde n 5 2, 3, … Nomenclatura de los alquinos Los nombres de los compuestos que contienen enlaces CP OC terminan en -ino. De nuevo, el nombre del compuesto base está determinado por el número de átomos de carbono en la cadena más larga (vea la tabla 24.1 para los nombres de los alcanos correspondientes). Al igual que en el caso de los alquenos, los nombres de los alquinos indican la posición del triple enlace carbono-carbono; por ejemplo, en Propiedades y reacciones de los alquinos El alquino más sencillo es el etino, más conocido como acetileno (C2H2). La estructura y el enlace del C2H2 se analizaron en la sección 10.5. El acetileno es un gas incoloro (p. e. –84°C) que se prepara mediante la reacción entre carburo de calcio y agua: El acetileno tiene muchos usos importantes en la industria. Debido a su alto calor de com- bustión el acetileno que se quema en los “sopletes oxiacetilénicos” produce una flama muy ca- liente (aproximadamente de 3 000°C). Por tal razón, los sopletes oxiacetilénicos se utilizan para soldar metales (vea la página 259). La energía libre estándar de formación del acetileno es positiva ()G° f 5 209.2 kJ/ mol), a diferencia de la de los alcanos. Esto significa que la molécula es inestable (res- pecto de sus elementos) y tiende a descomponerse: En presencia de un catalizador adecuado, o cuando el gas se mantiene a presión, esta reacción suele ocurrir con violencia explosiva. Para transportar el gas sin correr riesgos, debe disolverse en un disolvente orgánico, como acetona, a presión moderada. En estado líquido, el acetileno es muy sensible a los golpes y altamente explosivo. El acetileno es un hidrocarburo insaturado que se hidrogena para producir etileno: Participa en las siguientes reacciones de adición, con halogenuros de hidrógeno y halóge- nos: El metilacetileno (propino), CH3—CP OC—H, es el siguiente miembro de la familia de los alquinos. Participa en reacciones semejantes a las del acetileno. Las reacciones de adición del propino también obedecen la regla de Markovnikov: La reacción del carburo de calcio con agua produce acetileno, un gas inflamable. Propino. ¿Podría explicarse la regla de Markovnikov con esta molécula? HCqCOCH2OCH3 H3COCqCOCH3 2-butino 1-butino CaC2(s) 1 2H2O(l) ¡ C2H2(g) 1 Ca(OH)2(ac) 2C2H2(g) 1 5O2(g) ¡ 4CO2(g) 1 2H2O(l) ¢H° 5 22 599.2 kJ/mol C2H2(g) ¡ 2C(s) 1 H2(g) C2H2(g) 1 H2(g) ¡ C2H4(g) C2H2(g) 1 HX(g) ¡ CH2PCHX(g) C2H2(g) 1 X2(g) ¡ CHXPCHX(g) C2H2(g) 1 2X2(g) ¡ CHX2OCHX2(g) CPC CH3OC COH HBr 888n H3C G Br D D H G H 2-bromopropeno propino O O O Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 15. 1040 ¿Hielo que se quema? Así es. Se denomina hidrato de meta- no, y hay suficiente para satisfacer las necesidades energéti- cas de Estados Unidos durante varios años. Pero los científicos aún tienen que descubrir cómo extraerlo sin causar un desastre ambiental. Las bacterias en los sedimentos del suelo oceánico consu- men materia orgánica y generan gas metano. En condiciones de alta presión y baja temperatura, el metano forma hidrato de metano, el cual está compuesto por moléculas individua- les de gas natural atrapado dentro de jaulas cristalinas formadas por moléculas de agua congelada. Un trozo de hidrato de meta- no tiene la apariencia de un cubo de hielo gris, que se quema si se le acerca un fósforo encendido. Las compañías petroleras saben de la existencia del hidrato de metano desde la década de 1930, cuando comenzaron a usar las tuberías de alta presión para transportar el gas natural en climas fríos. A menos que el agua se elimine cuidadosamente antes de que el gas ingrese en la tubería, el flujo del gas se vería obstaculizado por trozos de hidrato de metano. Se estima que la reserva total del hidrato de metano en los océanos de la Tierra es de 1013 toneladas de contenido de carbo- no, aproximadamente el doble de la cantidad de carbono en todo el carbón, petróleo y gas natural en el planeta. No obstante, reco- lectar la energía almacenada en el hidrato de metano presenta un enorme reto de ingeniería. Se cree que el hidrato de metano actúa como una clase de cemento para mantener unidos los sedi- mentos del suelo oceánico. La alteración en los depósitos de hidrato podría causar deslaves subacuáticos, lo que produciría el desprendimiento de metano a la atmósfera. Este evento podría tener notables consecuencias ambientales, porque el metano es un potente gas de invernadero (vea sección 20.5). De hecho, los científicos han especulado que la liberación abrupta de hidrato de metano pudo haber desencadenado el fin de la última era del hielo hace 10 000 años. Al fundirse el gran manto de hielo con- tinental, los niveles del mar global se dilataron por más de 90 m, sumergiendo regiones del Ártico ricas en depósitos de hidrato. El agua relativamente caliente del océano fundió los hidratos, liberando grandes cantidades de metano, lo cual condujo al calentamiento global. El hielo que se quema QUÍMICA en acción Hidrato de metano en combustión con el aire. Hidrato de metano. La molécula de metano está atrapada en una jaula de moléculas de agua congelada (esferas azules) unidas mediante enlaces de hidrógeno. Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 16. 24.3 Hidrocarburos aromáticos 1041 24.3 Hidrocarburos aromáticos El benceno, compuesto base de esta gran familia de sustancias orgánicas, fue descubierto por Michael Faraday en 1826. Durante más de 40 años, los químicos estuvieron preocu- pados por encontrar su estructura molecular. A pesar del pequeño número de átomos en la molécula, hay muy pocas formas de representar la estructura del benceno sin violar la tetravalencia del carbono. Sin embargo, la mayoría de las estructuras propuestas fueron rechazadas porque no podían explicar las propiedades conocidas del benceno. Hacia 1865, August Kekulé2 dedujo que la mejor representación de la molécula del benceno podría ser una estructura anular, es decir, un compuesto cíclico que consta de seis átomos de carbo- no: H A A H C KCH C B A CN C EC H E HH E H H H C H A A H C ECN C A B CH C KC H E H H E H HH C o Como vimos en la sección 9.8, la mejor manera de representar las propiedades del ben- ceno es mediante las dos estructuras resonantes anteriores. De manera alternativa, las propiedades del benceno se explican en términos de orbitales moleculares deslocalizados (vea la página 454): Nomenclatura de los compuestos aromáticos La nomenclatura de los bencenos monosustituidos, es decir, bencenos en los que un átomo de H se ha reemplazado por otro átomo o grupo de átomos, es muy sencilla, como se mues- tra a continuación: etilbenceno clorobenceno nitrobenceno aminobenceno (anilina) CH2CH3 A Cl A NH2 A NO2 A Si está presente más de un sustituyente, debemos indicar la localización del segundo grupo respecto del primero. La forma sistemática de lograr esto es numerando los átomos de carbono como sigue: 3 6 4 2 5 1 Micrografía electrónica de moléculas de benceno, la cual muestra clara- mente la estructura anular. 2 August Kekulé (1829-1896). Químico alemán. Kekulé fue estudiante de arquitectura antes de interesarse por la química. Resolvió, supuestamente, el enigma de la estructura de la molécula de benceno después de haber tenido un sueño en el cual serpientes danzantes mordían sus propias colas. El trabajo de Kekulé es considerado por muchos como el logro culminante de la química orgánica teórica del siglo xix. Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 17. 1042 CAPÍTULO 24 Química orgánica Hay tres diferentes dibromobencenos posibles: 1,4-dibromobenceno (p-dibromobenceno) 1,2-dibromobenceno (o-dibromobenceno) 1,3-dibromobenceno (m-dibromobenceno) Br A Br A Br A A Br H Br E Br Los prefijos o- (orto-), m- (meta-) y p- (para-) se utilizan para indicar las posiciones re- lativas de los dos grupos sustituyentes, como se muestra en el caso de los dibromobence- nos. Los compuestos en que los dos grupos sustituyentes son diferentes se nombran de esta forma. Así, NO2 A H Br se nombra 3-bromonitrobenceno o m-bromonitrobenceno. Por último, cabe hacer notar que el grupo que contiene un anillo bencénico menos un átomo de hidrógeno recibe el nombre de grupo fenilo. Por lo tanto, la siguiente molé- cula se denomina 2-fenilpropano: CH3OCHOCH3 A Propiedades y reacciones de los compuestos aromáticos El benceno es un líquido incoloro, inflamable, que se obtiene sobre todo del petróleo y del alquitrán de hulla. Es probable que la propiedad química más notable del benceno sea su relativa baja reactividad. A pesar de que tiene la misma fórmula empírica que el ace- tileno (CH) y un alto grado de insaturación, es mucho menos reactivo que el etileno o el acetileno. La estabilidad del benceno es resultado de la deslocalización electrónica. De hecho es posible, aunque muy difícil, hidrogenar el benceno. La siguiente reacción se lleva a cabo a temperaturas y presiones mucho mayores que las que se utilizan con los alquenos: 3H2 8888n H A A H H E HH E H OH HO HO OH D D D D G G G G H H H H H H H H catalizador Pt H H ciclohexano Antes vimos que los alquenos reaccionan en forma rápida con los halógenos para formar productos de adición, porque el enlace pi en CPC se puede romper con facilidad. La reacción más común de los halógenos con el benceno es una reacción de sustitución, Este compuesto también se denomina isopropilbenceno (vea la tabla 24.2). Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 18. 24.3 Hidrocarburos aromáticos 1043 en la cual un átomo o un grupo de átomos reemplaza a un átomo o grupo de átomos de otra molécula. Por ejemplo, Br2 8888n H A A H H E HH E H H H HBr Br A A H H E HH E H H H bromobenceno catalizador FeBr3 Observe que si la reacción fuera de adición, se destruiría la deslocalización electrónica en el producto H A A H HE OH OBr D G HH Br H y la molécula no tendría la baja reactividad química característica de los compuestos aromáticos. Es posible introducir grupos alquilo en el sistema cíclico haciendo reaccionar el ben- ceno con un halogenuro de alquilo y utilizando AlCl3 como catalizador: CH3CH2Cl 8888n HCl CH2CH3 A catalizador cloruro de etilo etilbenceno AlCl3 Existe una gran cantidad de compuestos que se pueden generar a partir de sustancias en las que los anillos bencénicos están fusionados. En la figura 24.7 se ilustran algunos de estos hidrocarburos aromáticos policíclicos. El más conocido de estos compuestos es el naftaleno, que se utiliza en las bolitas de naftalina. Éste y otros compuestos semejantes están presentes en el alquitrán de hulla. Algunos compuestos con varios anillos son pode- rosos carcinógenos, es decir, que pueden causar cáncer en humanos y animales. Figura 24.7 Algunos hidrocarburos aromáticos policíclicos. Los compuestos señalados con un asterisco (*) son carcinógenos potentes. En la naturaleza existe un número muy significativo de tales compuestos. Naftaleno Antraceno Fenantreno Naftaceno Benzo(a)pireno Dibenzo(a,h)antraceno* Benzo(a)antraceno* Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 19. 1044 CAPÍTULO 24 Química orgánica 24.4 Química de los grupos funcionales Ahora examinaremos con mayor profundidad algunos grupos funcionales orgánicos, res- ponsables de la mayor parte de las reacciones del compuesto base. En particular, analiza- remos los compuestos que contienen oxígeno y los que contienen nitrógeno. Alcoholes Todos los alcoholes contienen el grupo funcional hidroxilo, —OH. En la figura 24.8 se muestran las estructuras de algunos alcoholes comunes. El alcohol etílico o etanol es, con mucho, el más conocido. Es un producto biológico de la fermentación del azúcar o el almidón. En ausencia de oxígeno, las enzimas presentes en los cultivos bacterianos o en la levadura catalizan la reacción Este proceso libera energía que los microorganismos, a su vez, utilizan para su crecimien- to y otras funciones. El etanol se prepara de manera comercial mediante una reacción de adición en la que el agua se combina con etileno a unos 280°C y 300 atm: El etanol tiene incontables aplicaciones como disolvente de compuestos orgánicos y como materia prima en la manufactura de colorantes, fármacos, cosméticos y explosivos. También es un constituyente de las bebidas alcohólicas. El etanol es el único de los alcoholes de cadena lineal que no es tóxico (más propiamente, el menos tóxico); el cuerpo humano produce una enzima llamada alcohol deshidrogenasa, que ayuda a metabolizar el etanol oxidándolo hasta acetaldehído: Esta ecuación es una versión simplificada de lo que ocurre en realidad; otras moléculas toman los átomos de H, de modo que no hay desprendimiento de H2 gaseoso. El etanol también se puede oxidar hasta acetaldehído o ácido acético por la acción de agentes oxidantes inorgánicos, como el dicromato en medio ácido: Vea “Química en acción” en la página 144. Figura 24.8 Alcoholes comunes. Observe que todos los compuestos contienen el grupo OH. Las propiedades del fenol son muy diferentes de las de los alcoholes alifáticos. H C A O O A H H C A O O O A H H A A H H C H C A O O O A H A A H H H C O A A H H C OH Metanol (alcohol metílico) Etanol (alcohol etílico) 2-Propanol (alcohol isopropílico) Fenol Etilenglicol OH OH OH C A O O O A H H A A H H H C OH OH C2H5OH C6H12O6(ac) O O¡ enzimas 2CH3CH2OH(ac) 1 2CO2(g) etanol CH2PCH2(g) 1 H2O(g) O¡ H2SO4 CH3CH2OH(g) CH3CH2OH OOOOOOO¡ alcohol dehidrogenasa CH3CHO 1 H2 acetaldehído CH3CH2OH O¡ Cr2O7 22 H1 CH3CHO O¡ Cr2O7 22 H1 CH3COOH Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 20. 24.4 Química de los grupos funcionales 1045 Se dice que el etanol es un alcohol alifático porque se deriva de un alcano (etano). El alcohol alifático más sencillo es el metanol, CH3OH. Se conoce como alcohol de ma- dera, pues antiguamente se preparaba por la destilación seca de la madera; en la actuali- dad se sintetiza en forma industrial por la reacción de monóxido de carbono e hidrógeno molecular a altas temperaturas y presiones: El metanol es muy tóxico. La ingestión de unos cuantos mililitros puede causar náuseas y ceguera. A menudo el etanol para uso industrial se mezcla con metanol para evitar que la gente lo beba. El etanol que contiene metanol u otras sustancias tóxicas se llama alco- hol desnaturalizado. Los alcoholes son ácidos muy débiles; no reaccionan con bases fuertes, como NaOH. Los metales alcalinos reaccionan con los alcoholes para producir hidrógeno: Sin embargo, la reacción es mucho menos violenta que la reacción entre Na y agua: Otros dos alcoholes alifáticos familiares son el 2-propanol (o isopropanol), conocido como alcohol de fricción, y el etilenglicol, que se utiliza como anticongelante. Observe que el etilenglicol tiene dos grupos —OH, por lo que puede formar enlaces por puente de hidrógeno con las moléculas de agua de modo más eficiente que los compuestos con un solo grupo —OH (vea la figura 24.8). La mayor parte de los alcoholes, en especial los que tienen masas molares pequeñas, son muy inflamables. Éteres Los éteres contienen la unión R—O—R9, donde R y R9 son grupos derivados de hidro- carburos (alifáticos o aromáticos). Se forman a partir de la reacción entre un alcóxido (que contiene el ion RO2 ) y un halogenuro de alquilo: El éter dietílico se prepara industrialmente al calentar el etanol con ácido sulfúrico a 140°C Esta reacción es un ejemplo de una reacción de condensación, que se caracteriza por la unión de dos moléculas y la eliminación de una molécula pequeña, por lo general agua. Al igual que los alcoholes, los éteres son muy inflamables. Cuando se dejan al aire en reposo, tienen la tendencia de formar, lentamente, peróxidos explosivos: Los alcoholes reaccionan con más lentitud con el sodio metálico que éste con el agua. CH3OCH3 CO(g) 1 2H2(g) O¡ catalizador Fe2O3 CH3OH(l) metanol 2CH3OH 1 2Na ¡ 2CH3ONa 1 H2 metóxido de sodio H 2 2O 1 2Na ¡ 2NaOH 1 H2 NaOCH3 1 CH3Br ¡ CH3OCH3 1 NaBr metóxido de sodio bromuro de metilo éter dimetílico C2H5OH 1 C2H5OH ¡ C2H5OC2H5 1 H2O C2H5OC2H5 O2 88n C2H5OOCOOOOOH CH3 A A H dietil éter hidroperóxido de 1-etoxietilo Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 21. 1046 CAPÍTULO 24 Química orgánica Los peróxidos contienen el enlace OOOOO; el peróxido más sencillo es el peróxido de hidrógeno, H2O2. El éter dietílico, conocido como “éter”, se utilizó como anestésico du- rante muchos años. Produce inconsciencia por depresión de la actividad del sistema ner- vioso central. Las principales desventajas del éter dietílico son sus efectos irritantes en el sistema respiratorio, que causan náuseas y vómito posterior a la anestesia. En la actualidad se prefiere utilizar como anestésico el “neotil” o éter metil propílico, CH3OCH2CH2CH3, porque casi no presenta efectos secundarios. Aldehídos y cetonas En condiciones suaves de oxidación es posible convertir los alcoholes en aldehídos y cetonas: H A A OH acetona formaldehído acetaldehído 1 2 1 2 1 2 CH3OH O2 88n H2CPO H2O C2H5OH O2 88n CPO H2O H3C G H D CH3OCOCH3 O2 88n CPO H2O H3C G H3C D El grupo funcional en estos compuestos es el grupo carbonilo, H ECPO. En un aldehído hay por lo menos un átomo de hidrógeno unido al carbono del grupo carbonilo. En una cetona, el átomo de carbono del grupo carbonilo está unido a dos grupos hidrocarbona- dos. El aldehído más sencillo, el formaldehído (H2CPO), tiende a polimerizarse, es decir, las moléculas individuales se unen entre sí para formar un compuesto de alta masa molar. En esta acción se desprende mucho calor y a menudo es explosiva, de modo que por lo general el formaldehído se prepara y almacena en disolución acuosa (para reducir la con- centración). Este líquido de olor bastante desagradable es una materia prima en la indus- tria de los polímeros (vea el capítulo 25), y en el laboratorio se le utiliza para la con- servación de animales muertos. Es interesante observar que los aldehídos de masa molar mayor, como el aldehído cinámico OCHPCHOC D H M O tienen un olor agradable y se emplean en la manufactura de perfumes. Por lo general las cetonas son menos reactivas que los aldehídos. La cetona más sencilla es la acetona, un líquido de olor agradable que se utiliza principalmente como disolvente de compuestos orgánicos y como removedor de barniz de uñas. Ácidos carboxílicos En condiciones apropiadas, tanto los alcoholes como los aldehídos se pueden oxidar has- ta ácidos carboxílicos, ácidos que contienen el grupo carboxilo, OCOOH: El aldehído cinámico da a la canela su característico aroma. CH3CHO CH3COOH CH3CH2OH 1 O2 ¡ CH3COOH 1 H2O H C 3CHO 1 1 2O2 ¡ CH3COOH Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 22. 24.4 Química de los grupos funcionales 1047 De hecho, estas reacciones se llevan a cabo tan rápido que el vino almacenado debe pro- tegerse del oxígeno atmosférico, ya que de otra manera pronto se convierte en vinagre, debido a la formación de ácido acético. En la figura 24.9 se muestra la estructura de al- gunos ácidos carboxílicos comunes. Los ácidos carboxílicos abundan en la naturaleza; se encuentran tanto en el reino vegetal como en el animal. Todas las moléculas de proteínas están formadas por aminoá- cidos, una clase particular de ácidos carboxílicos que contienen un grupo amino (—NH2) y un grupo carboxilo (—COOH). A diferencia de los ácidos inorgánicos HCl, HNO3 y H2SO4, los ácidos carboxílicos por lo general son débiles. Reaccionan con los alcoholes para formar ésteres, de olor agradable: CH3COOH HOCH2CH3 88n CH3OCOOOCH2CH3 H2O ácido acético acetato de etilo etanol O B Otras reacciones comunes de los ácidos carboxílicos son las de neutralización y la formación de halogenuros de ácido, como el cloruro de acetilo CH3COOH 1 PCl5 ¡ CH3COCl 1 HCl 1 POCl3 cloruro de cloruro de acetilo fosforilo Los halogenuros de ácido son compuestos reactivos que se utilizan como intermediarios en la preparación de muchos otros compuestos orgánicos. Se hidrolizan en forma muy similar a la de muchos halogenuros no metálicos, como el SiCl4: CH3COCl(l) 1 H2O(l)¡CH3COOH(ac) 1 HCl(g) SiCl4(l) 1 3H2O(l)¡H2SiO3(s) 1 4HCl(g) ácido silícico Ésteres Los ésteres tienen la fórmula general R9COOR, donde R9 puede ser H o un grupo deri- vado de un hidrocarburo, y R es un grupo derivado de un hidrocarburo. Los ésteres se utilizan en la manufactura de perfumes y como agentes saborizantes en las industrias de confitería y de bebidas gaseosas. Muchas frutas deben su olor y sabor característicos a la presencia de pequeñas cantidades de ésteres. Por ejemplo, los plátanos contienen acetato de 3-metilbutilo [CH3COOCH2CH2CH(CH3)2]; las naranjas, acetato de octilo (CH3COOCHCH3C6H13), y las manzanas, butirato de metilo (CH3CH2CH2COOCH3). Figura 24.9 Algunos ácidos carboxílicos comunes. Observe que todos contienen el grupo COOH. (La glicina es uno de los aminoácidos encontrados en las proteínas.) La oxidación del etanol en ácido acé- tico en el vino se cataliza mediante en- zimas. Ésta es una reacción de condensa- ción. El aroma de las frutas se debe prin- cipalmente a los ésteres que contie- ne. CO O H C A O O A A A H H C O A A H C OH C O O O H A A H H C OH B J B B O B O B Ácido fórmico Ácido acético Ácido butírico Ácido benzoico Ácido cítrico Ácido oxálico Glicina O O O OH C H OH C O A O O O A H A A H H H C O A A H H C B O C H OH C O A O O A H H O A A H H N B C OH C O HO O C O OH G OH O C O B OH C O A O C OH B O O CH3COOH 1 NaOH ¡ CH3COONa 1 H2O Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 23. 1048 CAPÍTULO 24 Química orgánica El grupo funcional en los ésteres es el grupo —COOR. En presencia de un cataliza- dor ácido, como el HCl, los ésteres se hidrolizan para formar un ácido carboxílico y un alcohol. Por ejemplo, en disolución ácida, el acetato de etilo se hidroliza de la siguiente manera: Sin embargo, esta reacción no llega a completarse porque también ocurre la reacción in- versa en forma apreciable, es decir, la formación de un éster a partir de un alcohol y un ácido. Por otro lado, cuando se utiliza una disolución de NaOH en la hidrólisis, el aceta- to de sodio no reacciona con el etanol, por lo que la reacción sí se completa de izquierda a derecha: CH3COOC2H5 1 NaOH ¡ CH3COO2 Na1 1 C2H5OH acetato de etilo acetato de sodio etanol Por esta razón, la hidrólisis de los ésteres por lo general se realiza en disoluciones básicas. Observe que el NaOH no actúa como catalizador, sino que se consume durante la reacción. El término saponificación (que significa hacer jabón) se utilizó originalmente para des- cribir la hidrólisis alcalina de los ésteres de los ácidos grasos para producir moléculas de jabón (estearato de sodio): C17H35COOC2H5 1 NaOH ¡ C17H35COO2 Na1 1 C2H5OH estearato de etilo estearato de sodio Saponificación es un término que actualmente se ha generalizado para la hidrólisis alca- lina de cualquier tipo de éster. Aminas Las aminas son bases orgánicas que tienen la fórmula general R3N, en donde R puede ser H o un grupo derivado de un hidrocarburo. Igual que en el caso del amoniaco, la reacción de las aminas con el agua es: donde R representa un grupo hidrocarbonado. Como todas las bases, las aminas forman sales cuando reaccionan con ácidos: CH3CH2NH2 1 HCl ¡ CH3CH2NH3 1 Cl2 etilamina cloruro de etilamonio Estas sales por lo general son sólidos incoloros e inodoros. Las aminas aromáticas se utilizan sobre todo en la manufactura de colorantes. La anilina, la más sencilla de las aminas aromáticas, es en sí misma un compuesto tóxico, y numerosas aminas aromáticas, como la 2-naftilamina y la bencidina, son poderosos carci- nógenos: E NH2 H2NO ONH2 NH2 A bencidina anilina 2-naftilamina O O Resumen de grupos funcionales En la tabla 24.4 se resumen los grupos funcionales comunes, incluyendo los grupos CPC y CP OC. Con frecuencia los compuestos orgánicos presentan más de un grupo funcional. Por lo general, la reactividad de un compuesto es determinada por el número y tipo de grupos funcionales que lo constituyen. En el ejemplo 24.5 se muestra la manera de utilizar los grupos funcionales para pre- decir las reacciones. La acción del jabón se analizó en la página 550. CH3NH2 CH3COOC2H5 1 H2O ∆ CH3COOH 1 C2H5OH acetato de etilo ácido acético etanol RNH2 1 H2O ¡ RNH3 1 1 OH2 Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 24. 24.4 Química de los grupos funcionales 1049 Arteria que comienza a bloquearse por el colesterol. Grupo funcional Nombre Reacciones típicas CPC D G G D Doble enlace carbono- Reacciones de adición con halógenos, halogenuros de carbono hidrógeno y agua; hidrogenación para producir alcanos OCqCO Triple enlace Reacciones de adición con halógenos, halogenuros de carbono-carbono hidrógeno; hidrogenación para producir alquenos y alcanos OX OS Q (X F, Cl, Br, I) Halógeno Reacciones de intercambio: CH3CH2Br 1 KI ¡ CH3CH2I 1 KBr OOOH O Q Hidroxilo Esterificación (formación de un éster) con ácidos carboxílicos; oxidación para formar aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos. O Q CPO G D Carbonilo Reducción para producir alcoholes; oxidación de los aldehídos para producir ácidos carboxílicos OCOOOH O Q SOS B Carboxilo Esterificación con alcoholes, reacción con pentacloruro de fósforo para producir cloruros de ácido OCOOOR O Q SOS B (R hidrocarburo) Éster Hidrólisis para producir ácidos y alcoholes ON O D R G R (R H o hidrocarburo) Amina Formación de sales de amonio con ácidos Tabla 24.4 Grupos funcionales importantes y sus reacciones Ejemplo 24.5 El colesterol es el componente principal de los cálculos biliares, y se cree que el nivel de colesterol en la sangre es un factor determinante de cierto tipo de enfermedades cardiacas. A partir de la siguiente estructura del compuesto, prediga su reacción con: a) Br2; b) H2 (en presencia de Pt como catalizador); c) CH3COOH. HO E CH3 A CH3 A C8H17 Estrategia Para predecir el tipo de reacciones que puede presentar una molécula, el primer paso es la identificación de los grupos funcionales presentes (vea tabla 24.4). Solución En el colesterol son dos los grupos funcionales: el grupo hidroxilo y el doble enlace carbono-carbono. a) La reacción con el bromo tiene como resultado la adición de bromo a los carbonos del doble enlace, que quedan unidos mediante un enlace sencillo. (continúa) Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 25. 1050 En 2010, el petróleo cubrió un estimado de 40% de los reque- rimientos energéticos de Estados Unidos. El resto fue pro- visto por gas natural (aproximadamente 25%), carbón (23%), energía hidroeléctrica (4%), energía nuclear (8%) y otras fuen- tes (0.5%). Además de la energía que produce, el petróleo es la fuente de numerosos compuestos químicos orgánicos utilizados para la fabricación de medicamentos, vestimenta y muchos otros productos. El petróleo sin refinar, un líquido viscoso de color café oscuro, se denomina petróleo crudo. El petróleo se formó en la corteza terrestre como una compleja mezcla de alcanos, alque- nos, cicloalcanos y compuestos aromáticos en el transcurso de millones de años mediante la descomposición anaeróbica de la materia animal y vegetal a través de la acción bacteriana. Los depósitos de petróleo están distribuidos en todo el mundo, pero principalmente se encuentran en Norteamérica, México, Rusia, China, Venezuela y, por supuesto, el Medio Oriente. La composición real del petróleo varía dependiendo de su ubicación. Por ejemplo, en Estados Unidos, el petróleo crudo de Pensilvania está constituido en su mayoría por hidrocarburos alifáticos, en tanto que los principales componentes de los petróleos crudos del Oeste son en esencia aromáticos. Aunque el petróleo contiene literalmente miles de com- puestos hidrocarbonados, sus componentes se pueden clasificar de acuerdo con el intervalo de sus puntos de ebullición. Estos La industria del petróleo QUÍMICA en acción Gasolina 30°C-180°C Nafta 110°C-195°C Queroseno 170°C-290°C Aceite de calefacción 260°C-350°C Aceite lubricante 300°C-370°C Residuo Gas Petróleo crudo calentado a 370ºC Columna de destilación fraccionada para separar los componentes del petróleo crudo. A medida que el vapor caliente asciende se condensa y los diferentes componentes del petróleo crudo se sepa- ran, de acuerdo con sus puntos de ebullición extrayéndose como se señala. Petróleo crudo. Principales fracciones del petróleo Intervalo del Fracción Átomos de carbono* punto de ebullición (8C) Usos Gas natural C1-C4 2161 a 20 Combustible y gas de cocina Éter de petróleo C5-C6 30–60 Disolvente para compuestos orgánicos Ligroína C7 20–135 Disolvente para compuestos orgánicos Gasolina C6-C12 30–180 Combustibles de automóviles Queroseno C11-C16 170–290 Combustibles para motores de jet y cohete, calefacción doméstica Aceite combustible C14-C18 260–350 Calefacción doméstica y combustible para calefacción para producción de electricidad Aceite lubricante C15-C24 300–370 Lubricantes para automóviles y máquinas * Las entradas en estas columnas indican los números de átomos de carbono en los compuestos implicados. Por ejemplo, C1-C4 implica que en el gas natural los compuestos contienen de 1 a 4 átomos de carbono, y así sucesivamente. Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 26. 1051 hidrocarburos se pueden separar con base en la masa molar mediante destilación fraccionada. El calentamiento del petróleo crudo a aproximadamente 400ºC lo convierte de un aceite vis- coso en un vapor caliente y fluido; de esta forma ingresa a la torre de fraccionamiento. El vapor se eleva y se condensa en diferentes recipientes recolectores de acuerdo con las tempera- turas a las cuales los distintos componentes del vapor se licuan. Algunos gases se extraen de la parte superior de la columna, y el crudo residual no vaporizado se recoge en la parte inferior. Probablemente la gasolina es el producto del petróleo mejor conocido. La gasolina, una mezcla de hidrocarburos volátiles, contiene en su mayor parte alcanos, cicloalcanos y determina- dos hidrocarburos aromáticos. Algunos de estos compuestos son mucho más adecuados como combustible para el motor de un automóvil que otros, de aquí el problema del tratamiento poste- rior y refinamiento de la gasolina. La mayor parte de los automóviles tiene la operación de cuatro tiempos del motor del ciclo de Otto. Una importante preo- cupación de la ingeniería es controlar la combustión de la mez- cla de gasolina y aire en el interior de cada cilindro para obtener una expansión suave de la mezcla gaseosa. Si la mezcla se que- ma con demasiada rapidez, el pistón recibe un tirón duro en vez de un impulso fuerte y suave. Esta acción produce un sonido de cascabeleo o detonación, así como una disminución en la efi- ciencia de la conversión de la energía de combustión a energía mecánica. Resulta que los hidrocarburos de cadena recta tienen mayor tendencia a producir cascabeleo, en tanto que los hidro- carburos aromáticos y de cadena ramificada producen el impul- so suave deseado. Por lo general, las gasolinas están clasificadas de acuerdo con el índice de octanaje, una medida de su tendencia a causar el cascabeleo. En esta escala, a un compuesto C8 ramificado (2,2,4-trimetilpentano, o isooctano) se le ha asignado arbitraria- mente un índice de octanaje de 100, y el del n-heptano, un com- puesto de cadena recta, es cero. Cuanto más alto sea el índice de octanaje del hidrocarburo, mejor será su desempeño en el motor de combustión interna. Los hidrocarburos aromáticos, como el benceno y el tolueno, tienen los índices de octanaje más altos (106 y 120, respectivamente), como los que poseen los hidro- carburos alifáticos con cadenas ramificadas. El índice de octano de los hidrocarburos se puede mejorar al añadir pequeñas cantidades de compuestos llamados agentes Las cuatro etapas de operación de un motor de combustión interna. Éste es el tipo de motor utilizado en casi todos los automóviles, y se describe técnicamente como un motor de ciclo de Otto de cuatro tiempos. a) La válvula de entrada abre para dejar pasar una mezcla de gasolina y aire. b) Durante la etapa de compresión las dos válvulas se cierran. c) La bujía enciende y el pistón es empujado hacia afuera. d) Por último, a medida que el pistón es empujado hacia abajo, la válvula de escape se abre para dejar pasar el gas del escape. Válvula de entrada abierta La bujía se enciende Válvula de escape abierta a) b) c) d) (continúa) Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 27. 1052 La sección “Química en acción de la página 1050 muestra los principales compuestos orgánicos presentes en el petróleo. antidetonantes. Entre los que se utilizan con mayor frecuencia están los siguientes: CH3OPbOCH3 CH3 A A CH3 CH3OCH2OPbOCH2OCH3 CH3 A CH2 A A CH2 A CH3 plomotetrametilo plomo tetraetilo La adición de 2 a 4 g de cualquiera de estos compuestos a un galón de gasolina incrementa el índice de octanaje en 10 o más. No obstante, el plomo es un metal altamente tóxico, y la descarga constante de las emisiones del automóvil en la atmós- fera se ha convertido en un serio problema ambiental. Las regu- laciones federales requieren que todos los autos fabricados después de 1974 utilicen gasolinas “sin plomo”. Los converti- dores catalíticos con que están equipados los automóviles más recientes pueden ser “envenenados” con plomo, otra razón para que este metal se excluya de la gasolina. Para minimizar el cas- cabeleo, las gasolinas sin plomo contienen metil-ter-butil éter (MTBE), el cual minimiza el mencionado ruido e incrementa el contenido de oxígeno de la gasolina, lo que provoca que el com- bustible se queme más limpiamente. Por desgracia, a finales de la década de 1990 se encontró MTBE en instalaciones de agua potable, principalmente debido a las fugas de gasolina de los tanques de almacenamiento. La sustancia hace que el agua ten- ga un olor y un sabor nauseabundo, y es un probable carcinóge- no humano. En el momento en que este ensayo se está escribiendo, algunos estados han empezado a eliminar paulati- namente el uso del MTBE en la gasolina, aunque no se ha encontrado un sustituto idóneo. QUÍMICA en acción 1. Debido a que los átomos de carbono se pueden unir entre sí formando cadenas lineales o ramificadas, el carbono es capaz de formar más compuestos que ningún otro elemen- to. 2. Los compuestos orgánicos se derivan de dos tipos de hidro- carburos: los alifáticos y los aromáticos. 3. El metano, CH4, es el más sencillo de los alcanos, una familia de hidrocarburos cuya fórmula general es CnH2n12. El ciclopropano, C3H6, es el más sencillo de los cicloalca- nos, una familia de alcanos cuyos átomos de carbono se unen formando anillos. Los alcanos y los cicloalcanos son hidrocarburos saturados. Resumen de conceptos Problema similar: 24.41. Figura 24.10 Productos formados a partir de la reacción del colesterol con a) bromo molecular, b) hidrógeno molecular y c) ácido acético. b) Ésta es una reacción de hidrogenación. De nuevo, el doble enlace carbono-carbono se convierte en un enlace sencillo. c) El ácido reacciona con el grupo hidroxilo para formar un éster y agua. En la figura 24.10 se muestran los productos de estas reacciones. O B CH3 H3C c) CH3 CH3 C8H17 a) CH3 HO Br C CH3 C8H17 b) CH3 HO Br C8H17 O O O Ejercicio de práctica Prediga los productos de la siguiente reacción: CH3OH 1 CH3CH2COOH ¡ ? Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 28. Preguntas y problemas 1053 4. El etileno, CH2PCH2, es la más sencilla de las olefinas o alquenos, una clase de hidrocarburos que contiene dobles enlaces carbono-carbono y que tiene la fórmula general CnH2n. 5. El acetileno, CHP OCH, es el más sencillo de los alquinos, que son compuestos con la fórmula general CnH2n22, y contienen triples enlaces carbono-carbono. 6. Los compuestos que contienen uno o más anillos bencéni- cos se denominan hidrocarburos aromáticos. En estos com- puestos se puede llevar a cabo la sustitución por halógenos y grupos alquilo. 7. Los grupos funcionales confieren una reactividad química específica a las moléculas. Las clases de compuestos que se caracterizan por sus grupos funcionales incluyen alco- holes, éteres, aldehídos y cetonas, ácidos carboxílicos, ésteres y aminas. Ácido carboxílico, p. 1046 Alcano, p. 1029 Alcohol, p. 1044 Aldehído, p. 1046 Alqueno, p. 1035 Alquino, p. 1039 Amina, p. 1048 Cetona, p. 1046 Cicloalcano, p. 1035 Éster, p. 1047 Éter, p. 1045 Grupo funcional, p. 1028 Hidrocarburo, p. 1028 Hidrocarburo alifático, p. 1028 Hidrocarburo aromático, p. 1028 Hidrocarburo insaturado, p. 1037 Hidrocarburo saturado, p. 1029 Isómero estructural, p. 1029 Química orgánica, p. 1028 Reacción de condensación, p. 1045 Reacción de sustitución, p. 1042 Reacciones de adición, p. 1037 Saponificación, p. 1048 Términos básicos Clases de compuestos orgánicos Preguntas de repaso 24.1 Explique por qué el carbono es capaz de formar más compuestos que cualquier otro elemento. 24.2 ¿Cuál es la diferencia entre hidrocarburos alifáticos y aromáticos? Hidrocarburos alifáticos Preguntas de repaso 24.3 ¿Cuál es el significado de “saturado” e “insaturado” cuando se aplica a los hidrocarburos? Dé ejemplos de un hidrocarburo saturado y de un hidrocarburo insatu- rado. 24.4 Mencione tres fuentes de metano. 24.5 Los alquenos presentan isomería geométrica debido a que está restringida la rotación en torno al enlace CPC. Explique. 24.6 ¿Por qué los alcanos y los alquinos, a diferencia de los alquenos, no presentan isomería geométrica? 24.7 ¿Cuál es la regla de Markovnikov? 24.8 Describa las reacciones características de los alcanos, de los alquenos y de los alquinos. 24.9 ¿Qué factor determina que un átomo de carbono en una molécula sea quiral? 24.10 Dé ejemplos de un alcano sustituido quiral y de un alca- no sustituido aquiral. Problemas 24.11 Dibuje todos los isómeros estructurales posibles del siguiente alcano: C7H16. 24.12 ¿Cuántos cloropentanos C5H11Cl diferentes se pueden producir por la cloración directa del n-pentano, CH3(CH2)3CH3? Dibuje la estructura de cada molécula. 24.13 Dibuje todos los isómeros posibles para la molécula C4H8. 24.14 Dibuje todos los isómeros posibles para la molécula C3H5Br. 24.15 Los isómeros estructurales del pentano, C5H12, tienen puntos de ebullición muy diferentes (vea el ejemplo 24.1). Explique las variaciones observadas en el punto de ebullición en función de la estructura. 24.16 Analice cómo se podría determinar cuáles de los siguientes compuestos son alcanos, cicloalcanos, alquenos o alquinos, sin dibujar sus fórmulas: a) C6H12, b) C4H6, c) C5H12, d) C7H14, e) C3H4. 24.17 Dibuje las estructuras de cis-2-buteno y trans-2-buteno. ¿Cuál de los dos compuestos tendrá mayor calor de hidrogenación? Explique. 24.18 ¿Esperaría que el ciclobutadieno fuera una molécula estable? Explique. H H COC B E H B H E COC H H 24.19 ¿Cuántos diferentes isómeros se podrían derivar del eti- leno si se reemplazan dos átomos de hidrógeno por un átomo de flúor y un átomo de cloro? Dibuje sus estruc- Preguntas y problemas Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 29. 1054 CAPÍTULO 24 Química orgánica turas y nómbrelos. Indique cuáles representan isómeros estructurales y cuáles son isómeros geométricos. 24.20 Sugiera dos pruebas químicas que pudieran ayudar a distinguir entre estos dos compuestos: a) CH3CH2CH2CH2CH3 b) CH3CH2CH2CHPCH2 24.21 El ácido sulfúrico (H2SO4) se adiciona al doble enlace de los alquenos como H1 y – OSO3H. Prediga los pro- ductos que se formarán cuando el ácido sulfúrico reac- cione con a) etileno y b) propeno. 24.22 El acetileno es un compuesto inestable. Tiende a formar benceno, según la reacción: Calcule el cambio de entalpía estándar, en kilojoules, para esta reacción a 25°C. 24.23 Prediga los productos que se obtienen a partir de la adición de HBr a: a) 1-buteno y b) 2-buteno. 24.24 Los isómeros geométricos no se limitan a los compues- tos que contienen el enlace CPC. Por ejemplo, ciertos cicloalcanos disustituidos pueden existir en las formas cis y trans. Marque las siguientes moléculas como el isómero cis o trans del mismo compuesto: b) a) H A A H H A A H Cl A A H Cl A A H H A A Cl Cl A A H 24.25 ¿Cuáles de los siguientes aminoácidos son quirales?: a) CH3CH(NH2)COOH, b) CH2(NH2)COOH, c) CH2(OH)CH(NH2)COOH 24.26 Nombre los siguientes compuestos: CH3OCHOCH2OCH2OCH3 CH3 A a) CH3OCHOOCHOCHOCH3 C2H5 A CH3 A CH3 A b) CH3OCH2OCHOCH2OCH3 A CH2OCH2OCH3 c) CH2PCHOCHOCHPCH2 CH3 A d) CH3OC COCH2OCH3 e) O O O CH3OCH2OCHOCHPCH2 A f) 24.27 Escriba las fórmulas estructurales de los siguientes compuestos orgánicos: a) 3-metilhexano, b) 1,3,5-tri- clorociclohexano, c) 2,3-dimetilpentano, d) 2-bromo- 4-fenilpentano, e) 3,4,5-trimetiloctano. 24.28 Escriba las fórmulas estructurales de los siguientes compuestos: a) trans-2-penteno, b) 2-etil-1-buteno, c) 4-etil-trans-2-hepteno, d) 3-fenil-butino. Hidrocarburos aromáticos Preguntas de repaso 24.29 Comente acerca de la gran estabilidad del benceno comparada con la del etileno. ¿Por qué el etileno pre- senta reacciones de adición mientras que el benceno experimenta reacciones de sustitución? 24.30 Tanto la molécula de benceno como la de ciclohexano contienen un anillo de seis miembros. El benceno tiene una molécula plana y el ciclohexano no. Explique. Problemas 24.31 Escriba las estructuras de los siguientes compuestos: a) 1-bromo-3-metilbenceno, b) 1-cloro-2-propilbenceno, c) 1,2,4,5-tetrametilbenceno. 24.32 Nombre los siguientes compuestos: a) Cl A A CH3 H Cl NO2 A A NO2 H CH2CH3 b) CH3 A A CH3 c) H3C E E CH3 Química de los grupos funcionales Preguntas de repaso 24.33 ¿Qué son los grupos funcionales? ¿Por qué es lógico y útil clasificar los compuestos orgánicos de acuerdo con sus grupos funcionales? 24.34 Dibuje la estructura de Lewis para cada uno de los siguientes grupos funcionales: alcohol, éter, aldehído, cetona, ácido carboxílico, éster, amina. Problemas 24.35 Dibuje estructuras para moléculas con las siguientes fórmulas: a) CH4O, b) C2H6O, c) C3H6O2, d) C3H8O. 24.36 Clasifique cada una de las siguientes moléculas como alcohol, aldehído, cetona, ácido carboxílico, amina o éter: 3C2H2(g) ¡ C6H6(l) Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 30. Preguntas y problemas 1055 a) CH3OOOCH2OCH3 b) CH3OCH2ONH2 c) CH3OCH2OC J O G H d) CH3OCOCH2OCH3 B O e) HOCOOH O B f) CH3OCH2OCH2OOH OCH2OCOOCOOH NH2 A A H O B g) 24.37 Por lo general los aldehídos se oxidan al aire más fácil- mente que las cetonas. Utilice acetaldehído y acetona como ejemplos y demuestre por qué en este aspecto las cetonas, como la acetona, son más estables que los aldehídos. 24.38 Complete la siguiente ecuación e identifique los pro- ductos: 24.39 Un compuesto tiene la fórmula empírica C5H12O. Mediante oxidación controlada se convierte en un com- puesto cuya fórmula empírica es C5H10O, que se comporta como una cetona. Dibuje las estructuras posi- bles para el compuesto original y el compuesto final. 24.40 Un compuesto con la fórmula molecular C4H10O no reacciona con sodio metálico. En presencia de la luz, el compuesto reacciona con Cl2 para formar tres com- puestos de fórmula C4H9OCl. Dibuje una estructura para el compuesto original, consistente con esta infor- mación. 24.41 Prediga el producto o productos de cada una de las siguientes reacciones: 24.42 Identifique los grupos funcionales en cada una de las siguientes moléculas: a) CH3CH2COCH2CH2CH3 b) CH3COOC2H5 c) CH3CH2OCH2CH2CH2CH3 Problemas adicionales 24.43 Dibuje todos los isómeros estructurales posibles para la molécula que tiene la fórmula C7H7Cl. La molécula contiene un anillo bencénico. 24.44 Dados los siguientes datos calcule el calor de hidrogenación del acetileno: 24.45 Sugiera cuál miembro de cada uno de los siguientes pares de compuestos es más reactivo y explique la razón: a) propano y ciclopropano; b) etileno y metano; c) acetaldehído y acetona. 24.46 Sugiera cuáles de los siguientes tipos de compuestos pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas de agua: a) ácidos carboxílicos, b) alquenos, c) éteres, d) aldehídos, e) alcanos, f) aminas. 24.47 Se encontró que un compuesto orgánico contiene 37.5% de carbono, 3.2% de hidrógeno y 59.3% de flúor (% en masa). A partir de 1.00 g de la sustancia, a 90°C, se obtuvieron los siguientes datos de presión y volumen: P (atm) V (L) 2.00 0.332 1.50 0.409 1.00 0.564 0.50 1.028 Se sabe que la molécula no tiene un momento dipolar. a) ¿Cuál es la fórmula empírica de esta sustancia? b) ¿Esta sustancia se comporta como un gas ideal? c) ¿Cuál es su fórmula molecular? d) Dibuje la estructura de Lewis para esta molécula y describa su geometría. e) ¿Cuál es el nombre sistemático del compuesto? 24.48 Mencione por lo menos un uso comercial para cada uno de los siguientes compuestos: a) 2-propanol (isopropa- nol), b) ácido acético, c) naftaleno, d) metanol, e) eta- nol, f ) etilenglicol, g) metano, h) etileno. 24.49 ¿Cuántos litros de aire (78% de N2, 22% de O2 en volu- men) a 20°C y 1.00 atm se necesitan para la combustión completa de 1.0 L de octano, C8H18, un componente típico de la gasolina que tiene una densidad de 0.70 g/ mL? 24.50 ¿Cuántos enlaces sigma carbono-carbono están presen- tes en cada una de las siguientes moléculas? a) 2-butino, b) antraceno (vea la figura 24.7), c) 2,3-di-metilpenta- no. 24.51 ¿Cuántos enlaces sigma carbono-carbono están presen- tes en cada una de las siguientes moléculas? a) bence- no, b) ciclobutano, c) 3-etil-2-metilpentano. HCOOH 1 CH3OH ¡ C2H4(g) 1 3O2(g) ¡ 2CO2(g) 1 2H2O(l) ¢H° 5 21 411 kJ/mol 2C2H2(g) 1 5O2(g) ¡ 4CO2(g) 1 2H2O(l) ¢H° 5 22 599 kJ/mol H2(g) 1 1 2O2(g) ¡H2O(l) ¢H° 5 2285.8 kJ/mol C2H2(g) 1 H2(g) ¡ C2H4(g) a) CH3CH2OH 1 HCOOH ¡ HOC COCH3 H2 88n b) O O O CPC HBr 888n C2H5 G H D D H G H c) Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 31. 1056 CAPÍTULO 24 Química orgánica 24.52 La combustión de 20.63 mg del compuesto Y, que sólo contiene C, H y O, con un exceso de oxígeno, produjo 57.94 mg de CO2 y 11.85 mg de H2O. a) Calcule cuán- tos miligramos de C, H y O había en la muestra original de Y. b) Deduzca la fórmula empírica de Y. c) Sugiera una estructura factible para Y si la fórmula empírica es la misma que la molecular. 24.53 Dibuje todos los isómeros estructurales para los com- puestos con la fórmula C4H8Cl2. Indique cuáles son quirales y dé sus nombres sistemáticos. 24.54 La combustión de 3.795 mg de un líquido B, que sólo contiene C, H y O, con un exceso de oxígeno, produjo 9.708 mg de CO2 y 3.969 mg de H2O. En una determi- nación de su masa molar, se evaporó 0.205 g de B a 1.00 atm y 200.0°C y ocupó un volumen de 89.8 mL. Deduzca la fórmula empírica, la masa molar y la fór- mula molecular de B y dibuje tres estructuras factibles. 24.55 Partiendo de 3-metil-1-butino, muestre cómo se podrían preparar los siguientes compuestos: CH2PCOCHOCH3 CH3 A Br A a) CH2BrOCBr2OCHOCH3 CH3 A b) CH3OCHOCHOCH3 CH3 A Br A c) 24.56 Marque los átomos de carbono asimétricos en los siguientes compuestos: CH3OCH2OCHOCHOCONH2 CH3 A A NH2 O B a) H A A H H A A Br H A A Br b) 24.57 Suponga que el benceno contiene tres enlaces sencillos y tres enlaces dobles. ¿Cuántos isómeros diferentes se esperarían para el diclorobenceno (C6H4Cl2)? Dibuje todas las estructuras propuestas. 24.58 Escriba la fórmula estructural de un aldehído que sea isómero estructural de la acetona. 24.59 Dibuje las estructuras de los siguientes compuestos: a) ciclopentano, b) cis-2-buteno, c) 2-hexanol, d) 1,4- dibromobenceno, e) 2-butino. 24.60 Diga a qué clase pertenecen los siguientes compuestos: a) C4H9OH b) CH3OC2H5 c) C2H5CHO d) C6H5COOH e) CH3NH2 24.61 El etanol, C2H5OH, y el éter dimetílico, CH3OCH3, son isómeros estructurales. Compare sus puntos de fusión y de ebullición, y sus solubilidades en agua. 24.62 Las aminas son bases de Brønsted. El desagradable olor del pescado se debe a la presencia de ciertas aminas. Explique por qué los cocineros suelen agregar jugo de limón para eliminar el olor del pescado (además de mejorar su sabor). 24.63 Suponga que tiene dos recipientes, cada uno con un líquido incoloro. Sabe que uno de los líquidos es ciclohexano y el otro es benceno. Sugiera una prueba química que le permita distinguir entre estos dos líqui- dos. 24.64 Dé los nombres químicos de los siguientes compuestos orgánicos y escriba sus fórmulas: gas de los pantanos, alcohol de grano, alcohol de madera, alcohol de fric- ción, anticongelante, bolitas de naftalina, ingrediente principal del vinagre. 24.65 El compuesto CH3OCP OCOCH3 se hidrogena hasta un alqueno, utilizando platino como catalizador. Prediga si el producto será el isómero trans puro, el isómero cis puro, o una mezcla de los dos isómeros. Con base en la predicción, comente acerca del mecanis- mo de la catálisis heterogénea. 24.66 ¿Cuántos átomos de carbono asimétricos están presen- tes en cada uno de los siguientes compuestos? H A A Cl H A A H H A A H HOCOCOCOCl a) OH A A H CH3 A A H H3COCOOCOCH2OH b) CH2OH A C A H OH A C A H OH A C A H H A C A OH H A C A HO c) O 24.67 El isopropanol se prepara a partir de la reacción del propileno (CH3CHCH2) con ácido sulfúrico seguida de tratamiento con agua. a) Muestre la secuencia de pasos que llevan al producto. ¿Cuál es el papel del ácido sul- fúrico? b) Dibuje la estructura de un alcohol que sea isómero del isopropanol. c) ¿Es quiral la molécula de isopropanol? d) ¿Cuál propiedad del isopropanol lo hace útil como alcohol de fricción? 24.68 Cuando se expone a la luz una mezcla de metano y vapor de bromo, ocurre lentamente la siguiente reac- ción: CH4(g) 1 Br2(g) ¡ CH3Br(g) 1 HBr(g) Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 32. Respuestas a los ejercicios de práctica 1057 Sugiera un mecanismo para esta reacción. (Sugerencia: Los vapores de bromo son de color rojo oscuro, el metano es incoloro.) 24.69 En condiciones de catálisis ácida, los alquenos reaccio- nan con agua para formar alcoholes. Como en el caso de los halogenuros de hidrógeno, la reacción de adición en la formación del alcohol también está regida por la regla de Markovnikov. Un alqueno de una masa molar de aproximadamente 42 g reacciona con agua y ácido sulfúrico para producir un compuesto que reacciona con disolución de dicromato de potasio para producir una cetona. Identifique todos los compuestos en los pasos precedentes. 24.70 La 2-butanona puede reducirse a 2-butanol haciendo uso de reactivos como el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4). a) Escriba la fórmula del producto. ¿Es qui- ral? b) En realidad, el producto no presenta actividad óptica. Explique. 24.71 Escriba las estructuras de tres alquenos que produzcan 2-metilbutano luego de sufrir hidrogenación. 24.72 Un alcohol se convirtió en ácido carboxílico con dicro- mato ácido de potasio. Se agregó una muestra de 4.46 g del ácido a 50.0 mL de NaOH 2.27 M, y el exceso de NaOH requirió 28.7 mL de HCl 1.86 M para la neutra- lización. ¿Cuál es la fórmula molecular del alcohol? 24.73 Escriba las fórmulas estructurales de los alcoholes con la fórmula C6H13O, e indique las que sean quirales. Muestre sólo los átomos de C y los grupos OOH. 24.74 Grasa o aceite son los nombres para una misma clase de compuestos, denominados triglicéridos, que contienen tres grupos éster CH2OOOCOR A A A CHOOOCOR A A A CH2OOOCOR
  • 33. O B O B O B Grasa o aceite donde R, R9 y R0 representan largas cadenas hidrocar- bonadas. a) Sugiera una reacción que conduzca a la formación de una molécula de triglicérido, iniciando con glicerol y ácidos carboxílicos (para la estructura del glicerol vea la página 476). b) Antiguamente, los jabo- nes se hacían hidrolizando las grasas animales con lejía (una disolución de hidróxido de sodio). Escriba una ecuación para esta reacción. c) La diferencia entre gra- sas y aceites es que, a temperatura ambiente, las prime- ras son sólidas, y los segundos, líquidos. En general las grasas son de origen animal, en tanto que los aceites suelen ser de origen vegetal. Los puntos de fusión de estas sustancias dependen del número de enlaces CPC (o del grado de insaturación) presentes: cuanto mayor sea el número de enlaces CPC, menor será el punto de fusión y mayor la probabilidad de que la sustancia sea líquida. Explique. d) Una forma de convertir un aceite líquido en una grasa sólida es hidrogenando el aceite, un proceso mediante el cual algunos o todos los enlaces CPC se convierten en enlaces C—C. Este proceso pro- longa la vida de almacenamiento del aceite, al eliminar los grupos CPC, más reactivos, y facilita su empaque. ¿Cómo se podría realizar este proceso (es decir, qué reactivos y cuál catalizador se emplearían)? e) El grado de insaturación de un aceite se determina haciendo reaccionar el aceite con yodo, que reacciona con el enlace CPC, como se muestra: I I A A A A A A A A OCOCPCOCO + I2 88n OCOCOCOCO A A A A A A El procedimiento consiste en adicionar al aceite una cantidad conocida de yodo y dejar que la reacción se complete. La cantidad de yodo en exceso (que no reac- cionó) se determina valorando el yodo que queda con una disolución patrón de tiosulfato de sodio (Na2S2O3): El número de gramos de yodo que reaccionan con 100 gramos del aceite recibe el nombre de índice de yodo. En un experimento se agregaron 43.8 g de I2 a 35.3 g de aceite de maíz. El exceso de yodo requirió de 20.6 mL de una disolución de Na2S2O3 0.142 M para la neutrali- zación. Calcule el índice de yodo del aceite de maíz. 24.1 5. 24.2 4,6-dietil-2-metiloctano 24.3 CH3OCHOCH2OCHOCHOCHOCH2OCH3 CH3 A CH3 A C2H5 A CH3 A 24.4 No. 24.5 CH3CH2COOCH3 y H2O. Respuestas a los ejercicios de práctica I2 1 2Na2S2O3 ¡ Na2S4O6 1 2NaI Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 34. 1058 Desaparición de huellas digitales* En 1993 se suscitó el secuestro de una niña, a quien sacaron de su hogar en un automóvil. Poco después logró escapar de manos de su captor y, con la ayuda de un vecino, volvió segura y a salvo a su hogar. Pocos días después la policía arrestó a un sospechoso y recuperó el auto. Al recabar las pruebas en contra de aquel hombre, los oficiales se dieron cuenta de que carecían de evidencias contun- dentes. La descripción detallada de la niña indicaba que ella debió haber estado en el auto, aunque ninguna de sus huellas se pudo encontrar. Por fortuna, la policía pudo vincular a la víctima con el auto y su dueño al comparar las fibras encontradas en el interior con las del camisón de la niña. ¿Qué son las huellas digitales? Las yemas de nuestros dedos están grabadas con poros de sudor. Cuando un dedo toca algo, el sudor de esos poros se deposita en la superficie, proporcionando una imagen exacta del patrón de surcos, llamado huella digital. No exis- ten dos individuos con las mismas huellas digitales. Este hecho hace que la correspondencia de huellas digitales sea uno de los métodos más eficaces para identificar a sospechosos criminales. ¿Por qué la policía no pudo encontrar las huellas de la niña en el auto? El residuo que se deposita mediante las huellas dactilares es de cerca de 99% de agua. El otro 1% contiene aceites y ácidos gra- sos, ésteres, aminoácidos y sales. Las muestras de huellas digitales de personas adultas contienen aceites pesados y cadenas largas de carbono ligadas entre sí por grupos de éster, pero las muestras de los niños contienen en su mayoría cadenas más cortas de grasa y no esterificadas, que son más ligeras y volátiles. (Los átomos de hidró- geno se omiten con fines de claridad.) J O G OH COCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOC de la huella digital de un niño OOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOC COCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOC D M O de la huella digital de un adulto En general, las huellas digitales de una persona adulta duran al menos varios días, pero las de los niños muchas veces se desvanecen en el transcurso de 24 horas. Por esta razón, en casos que implican niños, la investigación de la escena del crimen debe realizarse con mucha rapidez. * Adaptado con autorización de “The Disappearing Fingerprints” por Deborah Noble, CHEM MATTERS, febre- ro de 1997, p. 9. Derechos reservados 1997 American Chemical Society. Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896
  • 35. Indicios químicos Cuando un dedo toca una superficie, deja un patrón invisible de aceite llamado huella digital latente. Los investigadores forenses deben hacer de una huella digital latente una impre- sión visible que se pueda fotografiar y después escanear y almacenar para propósitos comparativos. A continuación se muestran algunos métodos comunes para lograrlo. 1. El método que consiste en aplicar polvo: éste es el méto- do tradicional en el cual un polvo fino (por lo general negro de humo, que es una forma amorfa del carbono obtenido por descomposición térmica de los hidrocarbu- ros) se espolvorea sobre superficies no porosas. El polvo se pega al sudor, con lo que el patrón de surcos se hace visible. Una mejora de este método es el uso de polvos fluorescentes. ¿Cuáles son las ventajas de esta modifica- ción? 2. El método del yodo: cuando se calienta, el yodo se subli- ma y su vapor entra en reacción con los enlaces dobles carbono-carbono en las grasas y los aceites, con lo que el patrón de surcos se tiñe de un color café amarillento. Este método se adecua en particular a las huellas dacti- lares depositadas en objetos porosos como papeles y cartulina. Escriba una ecuación en la que se muestre la reacción del I2 con grasas y aceites. 3. El método de la ninhidrina: éste es uno de los métodos más populares para la detección de huellas latentes en las superficies absorbentes y porosas como el papel y la madera. Este método está basado en una reacción com- pleja entre la ninhidrina y los aminoácidos (vea la tabla 25.2) en presencia de una base para producir un com- puesto, el cual se vuelve púrpura cuando se calienta. La ecuación sin balancear es donde R es un sustituyente. Como los aminoácidos en el sudor no interactúan con el contenido de celulosa del papel o la madera, esta técnica permite crear impresiones de huellas que pueden tener muchos años de antigüedad. Dibuje las estructuras de resonancia del púrpura de Ruhemann que muestren el movimiento de electrones con flechas curvas. 1059 B O B O OH OH B O O B O O H3NCHCOO OH 88n A R PNO B A ninhidrina aminoácido púrpura de Ruhemann Descargado por tonatiuh sosme (tonatiuhsosme@gmail.com) lOMoARcPSD|2598896