Química Orgánica Wade Vol I PDF

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Volumen 1 A LW A Y S L E A R N IN G PEARSON Compuestos orgánicos y grupos funcionales comunes Clase d e c o m p u e s to E stru ctu ra g e n e ra l G ru p o fu n c io n a l E je m p lo aléanos R—H ninguno c h 3c h 2c h 2c h 3 butano haluros de alquilo R— X X = F, Cl, Br o I CH3CH2CH2C1 1-cloropropan...

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Química Orgánica Wade Vol I Mike Durante

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LIB Química Orgnica Vol.1 L. G. Walde 7ma Edición (1) Daniel Hernandez Quc3admica orgc3a1nica wade vol i 7a edicic3b3naaaaaaaa Alonso JC

Volumen 1

A LW A Y S L E A R N IN G

PEARSON

Compuestos orgánicos y grupos funcionales comunes Clase d e c o m p u e s to

E stru ctu ra g e n e ra l

G ru p o fu n c io n a l

aléanos

R—H

ninguno

haluros de alquilo

R— X

X = F, Cl, Br o I

E je m p lo

c h 3c h 2c h 2c h butano

3

CH3CH2CH2C1 1-cloropropano

alquenos

R— C H = C H — R'

enlace doble carbono-carbono

CH 3CH 2 — c h = c h but-l-eno

al quinos

R— C = C — R'

enlace triple carbono-carbono

c h 3— c = c — c h but-2 -ino

2

3

anillo de benceno, también dibujado

compuestos aromáticos

H H benceno alcoholes

R — OH

grupo hidroxilo

fenoles

Ar— OH

grupo hidroxilo en un anillo aromático

tioles

R— SH

éteres

R— O — R'

CH 3CH 2 — OH etanol OH fenol CH3— SH metanotiol

grupo sulfhidrilo oxígeno entre dos grupos alquilo

CH 3CH2— O — CH 2CH 3 éter dietílico O

ep óxidos

A

éter en un anillo de 3 miembros 1,2 -epoxiciclohexano

cetonas

O II R— C — R'

O

II grupo carbón ilo

c

3 —

h

—

c

c

3

h

acetona

aldehidos

O II R— C — H

O

II grupo carbonilo

C H 3C H 2 —

C

—

H

propanal

ácidos carboxílicos

O II R— C — OH

O

II grupo carbonilo

C H

3 —

c

—

O H

ácido acético

ésteres

O II R— C — O — R'

O

II grupo alcoxicarbonilo

C H 3 —

C

—

O

—

C

H

£ H

acetato de etilo

amidas

O II R— C — N f t

O

grupo carboxamida

II H —

C

—

N ( C H 3)2

N, Akümetilformamida aminas

R — NH2

grupo amino

c

h

3c h

2 —

n

h

2

etilamina nitrilos

R— C = N

grupo ciano

C H 3C H 2 —

C

=

N

propionitrilo nitroalcanos

R — N0

2

grupo nitro

C H 3C H 2 —

N 0 2

nitroetano

3

Grupos comunes en químíca orgánica

Reactivos y disolventes comunes

A b re v ia tu ra d e b s g ru p o s org á n ico s

A b re v ia tu ra S ig n ifica d o

S ig n ific a d o

E stru ctu ra

0 1

E stru ctu ra

ACjO

anhídrido acético

DCC

di cicl ohex ilcarbodi imida

0 1

Ac

acetilo

C H j— C — R

O I

C H j— C — O—C — CHj

N=C=N-

alilo

H X '= C H — C H ,— R

Boc

ter-buti loxicaibonilo

0 1 (CH j ) j C — O — C — R

Bn

bencilo

P h — C H j— R

n-Bu

n -butilo

C H j— CH 2— CH j — CH z— R

x'-Bu

isobutilo

(CH j^ C H — CH j — R

J-Bu

j« > b u tilo

CHj—C H 2— CH — R DMSO

sulfóxido de dimetilo

/ir-butilo

(CH j ) j C — R

EtOH

etanol

0 1 Ph— C — R

E tO -

ion etóxido

EtjO

éter dietílico

HMPA, HMPT

hexametiltriamida del ácido fosfórico o hexametilfosforamida

LAH

hidruro de litio y aluminio

LiAlH*

LDA

diisopropilamiduro de litio

[{CHthCHhN- L i+

MCPBA

ácido meto-cloroperoxibenzoico

f y

MeOH

metanol

M eO

ion m etóxido

MVK

metilvinilcetona

NBS

Af-bromos uocini mida

PCC

clorocromato de piridinio

Pyr

piridina

/-BuOH

alcohol í

CHj

THP

Ts

tetrahidropiranilo

pura-toluensulfonilo, "tosilo”

vinilo

Q C H j-f

N—Br

y—S—R

í pyr • Q O j • HC1

A

híc - c :

No todas estas abreviaturas se emplean en este texto, pero se ofrecen com o referencia.

TMS

(C H ^ C — OH

(CHj^C—O" iC

QUÍMICA ORGÁNICA Volumen 1 Séptima edición

L.G. Wade, Jr. Whitman College

T ra d u c c ió n M a. Aurora Lanto Arrióla Escuela Nacional de Ciencias Biológicas Instituto Politécnico Nacional

Laura Fernández Enríquez División de Ciencias Básicas e Ingeniería Universidad Autónoma Metropolitana

Rev isió n

té c n ic a

Héctor García Ortega José Norberto Farfán García Blas Flores Pérez Fernando León Cedeño José Manuel Méndez Stivalet Alfredo Vázquez Martínez Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México

Juan Manuel Juárez Ruiz

Socorro Leyva Ramos

Departamento de Química Universidad de Guanajuato

Facultad de Ciencias Químicas Universidad Autónoma de San Luis Potosí

María del Rocío Ramírez Salgado José Guillermo Penieres Carrillo

Gonzalo Trujillo Chávez

Facultad de Estudios Superiores, Cuautitlán Universidad Nacional Autónoma de México

PEARSON

Escuela Nacional de Ciencias Biológicas Instituto Politécnico Nacional

b ib lio g rá fic a

WADE.LEROY Química orgánica. Volumen 1 Séptima edición PEARSON EDUCACIÓN, M éxico, 2011 ISBN: 978-607-32-0790-4 Área: C iencias Formato: 21 X 27 cm

Faginas: 744

Authorized translation from the English language edition, entitled ORGANIC CHEMISTRY, 7th Edition, by LEROY WADE, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright © 2010. All rights reserved. ISBN 9780321592316 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada ORGANIC CHEMISTRY, 7a. edición, por LEROY WADE, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Copyright © 2010. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editora:

Gabriela López Ballesteros e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Bernardino Gutiérrez Hernández Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño

SÉPTIMA EDICIÓN, 2012 D.R. © 2012 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5o. piso Col. Industrial Ato to 53519, Naucalpan de Juárez, Estado de México

Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. núm. 1031.

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del edi­ tor o de sus representantes.

ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-32-0790-4 ISBN VERSIÓN E-BOOK: 978-607-32-0791-1 ISBN E-CHAPTER: 978-607-32-0792-8

PRIMERA IMPRESIÓN Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 15 14 13 12

PEARSON

| ACERCA DEL AUTOR L. G. "Skip" Wade

decidió especializarse en química durante su segundo año de estudiante en la Rice University, mientras tomaba clases de quí­ mica orgánica con el profesor Ronald M. Magid. Después de titularse en la Rice University, en 1969, Wade ingresó a la Harvard University, donde realizó investi­ gaciones con el profesor James D. White. M ientras estudiaba en Harvard fungió com o Director de los Laboratorios orgánicos y fue influenciado en gran m edida por los métodos técnicos de dos educadores de maestría, los profesores Leonard K. Nash y Frank H. Westheimer. Después de com pletar su doctorado en Harvard en 1974, el Dr. Wade se unió a la Facultad de química en la Colorado State University. En el transcurso de quince años, el Dr. Wade enseñó química orgánica a miles de estudiantes dirigida hacia las carreras de todas las áreas de biología, química, medicina hum ana, medicina ve­ terinaria y estudios ambientales. También realizó ensayos de investigación en las síntesis orgánicas y en la educación química, y escribió once libros que revisan la investigación actual en las síntesis orgánicas. Desde 1989, el Dr. Wade ha sido pro­ fesor de química en el W hitman College, donde enseña química orgánica y realiza investigaciones sobre síntesis orgánica y química forense. El Dr. Wade recibió el pre­ mio A £ Lange por el Distinguished Science Teaching en W hitman en 1993. El interés del Dr. Wade en la ciencia forense lo ha llevado a testificar com o perito en casos de la corte que involucran drogas y armas de fuego; ha trabajado com o instructor de armas de fuego en la policía, com o consultor de drogas y oficial de seguridad de navegación en bote. También disfruta reparar y restaurar violines y arcos antiguos, lo cual ha realizado de manera profesional por muchos años.

A m is e s tu d ia n te s y c o le g a s en el W h itm a n C o lle g e

| RESUMEN DE CONTENIDO Prefacio xxiv Volum en 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Introducción y repaso 1 Estructura y propiedades de las moléculas orgánicas 40 Estructura y estereoquímica de los alcanos 83 El estudio de las reacciones químicas 127 Estereoquímica 169 Haluros de alquilo: sustitución nucleofílica y eliminación 215 Estructura y síntesis de los alquenos 281 Reacciones de los alquenos 323 Alquinos 388 Estructura y síntesis de los alcoholes 421 Reacciones de los alcoholes 464 Espectroscopia infrarroja y espectrometría de masas 510 Espectroscopia de resonancia magnética nuclear 561 Éteres, epóxidos y sulfuros 625 Apéndices A1 Respuestas a problemas seleccionados R1 Créditos fotográficos CF1 índice 11

Volum en 2

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Sistemas conjugados, simetría orbital y espectroscopia ultravioleta 665 Compuestos aromáticos 707 Reacciones de los compuestos aromáticos 751 Cetonas y aldehidos 807 Aminas 872 Ácidos carboxílicos 937 Derivados de ácidos carboxílicos 980 Condensaciones y sustituciones en alfa de compuestos carbonílicos 1043 Carbohidratos y ácidos nucleicos 1097 Aminoácidos, péptidos y proteínas 1153 Lípidos 1200 Polímeros sintéticos 1222 Apéndices A1 Respuestas a problemas seleccionados R1 Créditos fotográficos CF1 índice 11

CONTENIDO

Acerca del autor v Prefacio xxiv

Volumen 1

1

in t r o d u c c ió n y re p a s o 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5

1

Los orígenes de la química orgánica 1 Principios de la estructura atómica 3 Formación de enlaces: la regla del octeto

6

Estructuras de Lew is 7 Enlaces múltiples

8

Resumen: Patrones de enlaces com unes (neutros) 9

1-6 Electronegatividad y polaridad de enlace 9 1-7 Cargas formales 10 1-8 Estructuras iónicas 12 Resumen: Patrones comunes de enlace en los compuestos orgánicos y iones 13

1-9 1-10 1-11 1-12 1-13 1-14

Resonancia 13 Fórmulas estructurales 17 Fórmulas moleculares y empíricas 20 Ácidos y bases de Arrhenius 21 Ácidos y bases de Br0 nsted-Lowry 22 Ácidos y bases de Lewis 29 Glosario 32 Problemas de estudio 34

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

2

DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS 40 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-12 2-13 2-14

Propiedades ondulatorias de los electrones en los orbitales 40 Orbitales moleculares 42 Enlace pi 45 Hibridación y formas moleculares 46 Cómo dibujar m oléculas tridimensionales 50 Reglas generales de hibridación y geometría 51 Rotación de enlaces 55 Isomería 57 Polaridad de enlaces y moléculas 59 Fuerzas intermoleculares 62 Efecto de la polaridad sobre la solubilidad

66

Hidrocarburos 69 Compuestos orgánicos que contienen oxígeno 72 Compuestos orgánicos que contienen nitrógeno 74 Glosario 76 froblem as de estudio 79

3

ESTRUCTURA Y ESTEREOQUÍMICA DE LOS ALC AN O S 83 3-1 Clasificación de los hidrocarburos (repaso) 83 3-2 RSrmulas moleculares de los alcanos 84 3-3 Nomenclatura de los alcanos 85 Resumen: Reglas para nom brar los alcanos 90

3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 3-11 3-12 3-13

Propiedades físicas de los alcanos 91 Usos y fuentes de los alcanos 93 Reacciones de los alcanos 95 Estructura y conformaciones de los alcanos 96 Conformaciones del butano 100 Conformaciones de alcanos más grandes 102 Cicloalcanos 102 Isomería cis-trans en los cicloalcanos 105 Estabilidad de los cicloalcanos. Tensión de anillo 105 Conformaciones del ciclohexano 109 E strategia para re so lve r pro blem as: Cóm o d ib u ja r conform aciones de silla 112

3-14 Conformaciones de ciclohexanos monosustituidos 113 3-15 Conformaciones de ciclohexanos disustituidos 116 E strategia para re so lve r pro blem as: Cóm o reconocer isómeros d s y trans 118

3-16

M oléculas bicíclicas 119 Glosario 121 Problemas de estudio 124

x

Contenido

4

EL ESTUDIO DE LAS REACCIONES QU ÍM ICAS 127 4-1 Introducción 127 4-2

Cloración del metano 127

4-3

Reacción en cadena de radicales libres 128

Mecanismo clave: Halogenación por radicales libres 130 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10 4-11 4-12 4-13 4-14

Constantes de equilibrio y energía libre 132 Entalpia y entropía 135 Entalpias de disociación de enlace 136 Cambios de entalpia en reacciones de cloración 137 Cinética y la ecuación de rapidez 139 Energía de activación y dependencia de la rapidez de reacción con respecto a la temperatura 141 Estados de transición 142 Rapidez de reacciones con varios pasos 144 La halogenación y su dependencia de la temperatura 145 Halogenación selectiva 146 Postulado de Hammond 151 E strateg ia para re so lve r pro blem as: Cóm o p ro p o n e r mecanismos de reacción 153

4-15 Inhibidores de radicales 155 4-16 Intermediarios reactivos 156 Resumen: Intermediarios reactivos 162 Glosario 162 Problemas de estudio 165

5

ESTEREOQUÍMICA 169 5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 5-10

Introducción 169 Quiralidad 170 Nomenclatura (R) y (S ) de los átomos de carbono asimétricos 176 Actividad óptica 18 1 Discriminación biológica de enantióm eros 186 M ezclas racémicas 187 Exceso enantiomérico y pureza óptica 188 Quiralidad de sistemas conformacionalmente móviles 189 Com puestos quirales sin átomos asimétricos 191 Proyecciones de Fischer 193 Resumen: Las proyecciones de Fischer y su uso 198

5-11 Diaste romeros 198 Resumen: Tipos de isómeros 199

5-12 5-13 5-14 5-15 5-16

Estereoquímica de moléculas con dos o más carbonos asimétricos 200 Com puestos meso 201 Configuraciones absoluta y relativa 203 Propiedades físicas de los diasterómeros 205 Resolución de enantióm eros 206 Glosario 209 Problemas de estudio 211

HALUROS DE ALQ U ILO : SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y E LIM IN A C IÓ N 215 6-1

Introducción 215

6-2 6-3 6-4 6-5

Nomenclatura de los haluros de alquilo 216

6- 6

Usos comunes de los haluros de alquilo 218 Estructura de los haluros de alquilo 220 ítopiedades físicas de los haluros de alquilo 221 Reparación de haluros de alquilo 223 Resumen: Métodos para preparar haluros de alquilo 226

6-7

Reacciones de los haluros de alquilo: sustitución nucleofílica y eliminación 228

6- 8

Sustitución nucleofílica de segundo orden: la reacción Sn2 229

Mecanismo clave: La re a c c ió n S N2 2 3 0 6-9 Generalidades de la reacción Sn2 231 Resumen: Reacciones S ^ 2 d c los haluros de alquilo 231

6-10

Factores que influyen en las reacciones Sn2: fuerza del nucleófilo 233 Resumen: Tendencia en la nucleofilia 234

6-11 6-12 6-13

Reactividad del sustrato en reacciones Sn2 237 Estereoquímica de la reacción Sn2 241 Sustitución nucleofílica de primer orden: reacción SN1 243

Mecanismo clave: La re a c c ió n S ^ l 2 4 4 6-14 Estereoquímica de la reacción Sn 1 247 6-15 Reordenamientos en las reacciones Sn 1 249 6-16 Comparación de las reacciones S nI y Sn2 252 6-17

Resumen: Sustituciones nucleofñicas 254 Eliminación de primer orden: reacción E l 255

Mecanismo clave: La re a c c ió n E1 2 5 5 Resumen: Reacciones de los carbocationes 259

6-18 Orientación posicional de la eliminación: regla de Zaitsev 260 6-19 Eliminación de segundo orden: reacción E2 261 Mecanismo clave: La re a c c ió n E2 2 6 2 6-20 Estereoquímica de la reacción E2 264 6-21 Comparación de los mecanismos de eliminación E l y E2 265 Resumen: Reacciones de eliminación 267 E strategia para re so lve r pro blem as: Predicción de sustituciones nucleofílicas y elim inaciones 267

Resumen: Reacciones de los haluros de alquilo 270 Glosario 273 FYoblemas de estudio 276

7

ESTRUCTURA Y SÍNTESIS DE LOS ALQUENOS 281 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5

Introducción 281 Descripción orbital del enlace doble de los alquenos 282 Elementos de insaturación 283 Nomenclatura de los alquenos 285 Nomenclatura de los isómeros cis-trans 287 Resumen: Reglas para nombrar a los alquenos 289

7-6 7-7 7-8 7-9 7-10

Importancia comercial de los alquenos 290 Estabilidad de los alquenos 292 Propiedades físicas de los alquenos 298 Síntesis de alquenos por eliminación de haluros de alquilo 300 Síntesis de alquenos por deshidratación de alcoholes 308

Mecanismo clave: Deshidratación de un alcohol catalizada con un ácido 309 7-11

Síntesis de alquenos mediante métodos industriales a altas temperaturas 311 E strateg ia para re so lve r pro blem as: Gómo p ro p o n e r mecanismos de reacción 312

Resumen: M étodos para sintetizar alquenos 316 Glosario 317 Problemas de estudio 319

8

REACCIONES DE ALQUENOS 323 8-1 Reactividad del enlace doble carbono-carbono 323 8-2 Adición electrofílica a alquenos 324 Mecanismo clave: Adición electrofílica a alquenos 3 2 4 8-3 Adición de haluros de hidrógeno a alquenos 326 8-4 Adición de agua: hidratación de alquenos 332 8-5 Hidratación por oximercuración-desmercuración 335 8- 6

Alcoximercuración-desmercuración 337

8-7 Hidroboración de alquenos 338 8- 8

8-9 8-10 8-11 8-12 8-13 8-14 8-15 8-16 8-17