1.E: Introducción a la Química Orgánica (Ejercicios)

Ejercicio 1-1 ¿De cuántos isómeros diferentes hay\(\ce{C_H_2Br_4}\)? (Supongamos carbono tetraédrico de rotación libre e hidrógeno y bromo univalentes.) ¿Cómo se podría determinar cuál de estos isómeros es cuál por el método de sustitución?

Ejercicio 1-2 Se\(\ce{C_3H_6Br_2}\) encuentra que un compuesto de fórmula da solo una sola sustancia,\(\ce{C_3H_5Br_3}\), en sustitución posterior. ¿Cuál es la estructura del\(\ce{C_3H_6Br_2}\) isómero y de su producto de sustitución?

Ejercicio 1-3 Un compuesto de fórmula\(\ce{C_5H_{12}}\) da solo un único producto de sustitución monobromo de fórmula\(\ce{C_5H_{11}Br}\). ¿Cuál es la estructura de este\(\ce{C_5H_{12}}\) isómero? (Observe que el carbono puede formar tanto cadenas continuas como cadenas ramificadas. También observe que estructuras como las siguientes representan el mismo isómero porque los enlaces al carbono son tetraédricos y son libres de rotar).

Ejercicio 1-4 Un compuesto gaseoso de fórmula\(\ce{C_2H_4}\) reacciona con bromo líquido\(\left( \ce{Br_2} \right)\) para dar un solo\(\ce{C_2H_4Br_2}\) compuesto. El\(\ce{C_2H_4Br_2}\) así formado da solo un producto de\(\ce{C_2H_3Br_3}\) sustitución. Deducir la estructura\(\ce{C_2H_4}\) y los compuestos de bromo derivados de ella. (Este fue un problema clave para los primeros químicos orgánicos).

Ejercicio 1-5 Se conocen tres dibromobencenos diferentes, aquí representados por una sola de las estructuras de Kekulé\(14\),\(15\), y\(16\):

Mostrar cómo podría emplearse el método de sustitución descrito en la Sección 1-1F para determinar qué isómero es cuál y, además, establecer las estructuras de los diversos tribromobencenos posibles de fórmula\(\ce{C_6H_3Br_3}\).

Ejercicio 1-6 El químico alemán Ladenburg, en 1868, sugirió la fórmula prismática\(17\) para el benceno:

Asumiendo que los\(\ce{C-C}\) enlaces del prisma son todos de la misma longitud, determine cuántos isómeros mono-, di- y tribromo-sustituidos son posibles para\(17\). Comparar los resultados con los esperados para benceno con estructura\(13\). Si tienes modelos moleculares del tipo bola y varilla, estos te serán muy útiles. Un modelo alternativo simple para\(17\) sería un trozo de papel rígido doblado y sujetado como en\(18\) para dar un prisma con tres caras cuadradas iguales.

Ejercicio 1-7 El compuesto\(\ce{C_2H_5Br}\) reacciona lentamente con el compuesto\(\ce{CH_4O}\) para producir una sola sustancia de fórmula\(\ce{C_3H_8O}\). Asumiendo valencias normales a lo largo, escribir fórmulas estructurales para\(\ce{CH_4O}\) y los tres diferentes isómeros estructurales posibles (no rotacionales) de\(\ce{C_3H_8O}\) y mostrar cómo el principio de menor cambio estructural favorece a uno de ellos como producto de reacción. ¿Qué esperarías que se formara a partir de cada uno de estos tres\(\ce{C_3H_8O}\) isómeros con ácido bromhídrico fuerte?

Ejercicio 1-8 Hay una gran cantidad de isómeros conocidos de\(\ce{C_5H_{10}}\), y algunos de estos son típicamente insaturados, como el eteno, mientras que otros están saturados, como el etano. Uno de los isómeros saturados en la sustitución de bromo da solo un compuesto de fórmula\(\ce{C_5H_9Br}\). Elaborar una estructura para este isómero\(\ce{C_5H_{10}}\) y su producto de sustitución monobromo.

Ejercicio 1-9 El hidruro de litio podría escribirse como cualquiera\(\ce{Li}^\oplus \colon \ce{H}^\ominus\) o\(\ce{H}^\oplus \colon \ce{Li}^\ominus\) dependiendo de si el litio o el hidrógeno son más atrayentes de electrones. Explique por qué el hidrógeno es en realidad más atrayente de electrones, haciendo la estructura correcta\(\ce{Li}^\oplus \colon \ce{H}^\ominus\).

Ejercicio 1-10 Un ácido\(\left( \ce{HA} \right)\) puede definirse como una sustancia que dona un protón a una base, por ejemplo agua. La reacción de donación de protones suele ser una reacción de equilibrio y se escribe como

Predecir qué miembro de cada uno de los siguientes pares de compuestos sería el ácido más fuerte. Da tus razones.

a.\(\ce{LiH}\),\(\ce{HF}\)
b.\(\ce{NH_3}\),\(\ce{H_2O}\)
c.\(\ce{H_2O_2}\),\(\ce{H_2O}\)
d.\(\ce{CH_4}\),\(\ce{CF_3H}\)

Ejercicio 1-11 (Este problema está en la naturaleza de la revisión de la química inorgánica elemental y puede requerir referencia a un libro de química general.) Escriba las estructuras de Lewis para cada uno de los siguientes compuestos. Utilice puntos distintos y correctamente colocados para los electrones. Marcar todos los átomos que no sean neutros con cargas del signo propio.

a. amoníaco,\(\ce{NH_3}\)
b. bromuro de amonio,\(\ce{NH_4Br}\)
c. cianuro de hidrógeno,\(\ce{HCN}\)
d. ozono (\(\angle \ce{O-O-O} = 120^\text{o}\))
e. dióxido de carbono,\(\ce{CO_2}\)
f. peróxido de hidrógeno,\(\ce{HOOH}\)
g. hidroxilamina,\(\ce{HONH_2}\)
h. ácido nítrico,\(\ce{HNO_3}\)
i. sulfuro de hidrógeno,\(\ce{H_2S}\)
j. trifluoruro de boro,\(\ce{BF_3}\)

Ejercicio 1-12 Use modelos de bola y varilla o dibujos tridimensionales adecuados para determinar qué miembros de los siguientes conjuntos de fórmulas representan compuestos idénticos, siempre que se considere posible la “rotación libre” alrededor de todos los enlaces simples (excepto cuando estos enlaces estén presentes en una estructura cíclica):

a.

b.

c.

Ejercicio 1-13 Escribe estructuras para todos los diferentes productos de sustitución de monobromo (o\(\ce{Br}\) for\(\ce{H}\)) que esperarías para cada uno de los siguientes compuestos.

a.

b.

c.

d.

e.

f.

Ejercicio 1-14 Hay dos isómeros de\(\ce{C_3H_6}\) con valencias normales de carbono e hidrógeno. Cada uno agrega bromo -uno rápidamente y el otro muy lento- para dar diferentes isómeros de\(\ce{C_3H_6Br_2}\). El\(\ce{C_3H_6Br_2}\) derivado del\(\ce{C_3H_6}\) isómero que reacciona lentamente con bromo puede dar solo dos\(\ce{C_3H_5Br_3}\) isómeros diferentes en sustitución adicional de bromo, mientras que el otro\(\ce{C_3H_6Br_2}\) compuesto puede dar tres\(\ce{C_3H_5Br_3}\) isómeros diferentes en sustitución adicional. ¿Cuáles son las estructuras de los\(\ce{C_3H_6}\) isómeros y sus productos de\(\ce{C_3H_6Br_2}\) adición?

Ejercicio 1-15* (Recuerda que aquí y en otros lugares, * denota un ejercicio más difícil.) La gran mayoría de las sustancias orgánicas son compuestos de carbono con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno o los halógenos. El carbono y el hidrógeno se pueden determinar en compuestos combustibles quemando una muestra pesada en una corriente de oxígeno (Figura 1-1) y absorbiendo el agua resultante y el dióxido de carbono en tubos que contienen perclorato de magnesio anhidro y cal sodada, respectivamente. La ganancia de peso de estos tubos corresponde a los pesos del agua y del dióxido de carbono formado.

Figura 1-1: Representación esquemática de un tren de combustión para la determinación de carbono e hidrógeno en sustancias combustibles.

El peso molecular de una sustancia moderadamente volátil se puede determinar mediante el procedimiento históricamente importante de Victor Meyer, mediante el cual se mide el volumen de gas producido por vaporización de una muestra pesada de un desconocido a una temperatura dada (Figura 1-2). Aquí\(PV = nRT\) se utiliza la relación, en la que\(P\) está la presión\(\text{mm}\) de mercurio,\(V\) es el volumen en\(\text{mL}\),\(T\) es la temperatura absoluta en\(^\text{o} \text{K}\)\(\left[ = 273.15 + T \left( ^\text{o} \text{C} \right) \right]\),\(n\) es el número de moles, y\(R\) es la constante del gas\(= \: 62,400\) en el unidades de\(\left( \text{mm} \: \ce{Hg} \times \text{mL} \right) / \left( \text{mol} \times ^\text{o} \text{K} \right)\). El número de moles,\(n\), es igual\(m/M\) en que\(m\) está el peso de la muestra y\(M\) es el peso molecular bruto. A continuación se muestra un ejemplo del uso del método Victor Meyer.

Figura 1-2: Diagrama esquemático de un aparato Victor Meyer para la determinación de la densidad de vapor de una sustancia que es volátil a la temperatura del horno\(T_1\). El aire desplazado de la cámara calentada por la volatilización de la muestra en el bulbo se mide en la bureta de gas a temperatura\(T_2\) como la diferencia en las lecturas de la bureta\(V_2\) y\(V_1\).

A\(0.005372\) -\(\text{g}\) muestra de un compuesto líquido carbono-hidrógeno-oxígeno en combustión dio\(0.01222 \: \text{g}\) de\(\ce{CO_2}\) y\(0.00499 \: \text{g}\) de\(\ce{H_2O}\). En el método Victor Meyer,\(0.0343 \: \text{g}\) del compuesto expulsó una cantidad de aire a la\(100^\text{o}\)\(\left( 373 ^\text{o} \text{K} \right)\) que, cuando se recolectaba en\(27^\text{o}\)\(\left( 300^\text{o} \text{K} \right)\) y\(728 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\), ascendió a\(15.2 \: \text{mL}\).

Mostrar cómo estos resultados conducen a la fórmula empírica y molecular de\(\ce{C_3H_6O}\). Escriba al menos cinco isómeros que correspondan a esta fórmula con univalente\(\ce{H}\), divalente\(\ce{O}\) y tetravalente\(\ce{C}\).

Ejercicio 1-16 Determinar la fórmula molecular de un compuesto de peso molecular 80 y composición porcentual elemental en peso de\(\ce{C} = 45.00\),\(\ce{H} = 7.50\), y\(\ce{F} = 47.45\). Escribir estructuras para todos los isómeros posibles que tengan esta fórmula. (Consulte el Ejercicio 1-15 para obtener una descripción de cómo se determina la composición porcentual mediante experimentos de combustión.)

Ejercicio 1-17 ¿Por qué el punto de ebullición del agua es\(\left( 100^\text{o} \right)\) sustancialmente mayor que el punto de ebullición del metano\(\left( -161^\text{o} \right)\)?

Ejercicio 1-18 El dimetilmercurio,\(\ce{CH_3-Hg-CH_3}\), es un compuesto volátil de pb\(96^\text{o}\), mientras que el fluoruro mercúrico\(\ce{F-Hg-F}\) es un sólido de alto punto de fusión que tiene mp\(570^\text{o}\). Explicar qué diferencias en la unión en las dos sustancias se esperan que puedan explicar las grandes diferencias en las propiedades físicas.

Ejercicio 1-19* Hay cuatro posibles isómeros de\(\ce{C_4H_9Br}\). Llamemos a dos de estos\(A\) y\(B\). Ambos\(A\) y\(B\) reaccionan con agua para dar el mismo isómero de\(\ce{C_4H_{10}O}\) y este isómero de\(\ce{C_4H_{10}O}\) reacciona con fuerte\(\ce{HBr}\) para devolver solo\(A\). La sustitución\(A\) de por bromo da solo uno de los posibles\(\ce{C_4H_8Br_2}\) isómeros. La sustitución\(B\) de por bromo da tres\(\ce{C_4H_8Br_2}\) isómeros diferentes, y uno de estos es idéntico al\(\ce{C_4H_8Br_2}\) de la sustitución de\(A\). Escribir fórmulas estructurales para\(A\) y\(B\), y los isómeros de\(\ce{C_4H_8Br_2}\) formados a partir de ellos con bromo, y para los isómeros de\(\ce{C_4H_{10}O}\) esperados que se formen a partir de ellos con agua. Indicar en qué reacción se descompone el principio de menor cambio estructural.

Colaboradores

• John D. Robert and Marjorie C. Caserio (1977) Basic Principles of Organic Chemistry, second edition. W. A. Benjamin, Inc. , Menlo Park, CA. ISBN 0-8053-8329-8. This content is copyrighted under the following conditions, "You are granted permission for individual, educational, research and non-commercial reproduction, distribution, display and performance of this work in any format."