2013
Fernando Brierley – Felipe Salas
Química – Reactividad en química orgánica
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© Fernando Brierley V. – Felipe Salas B. 2013
Anteriormente vimos muchos compuestos orgánicos y aprendimos a nombrarlos. Sin embargo, aún no hemos respondido cómo son dichos compuestos ni qué reacciones tienen que ocurrir para que se formen. A lo largo de este capítulo, aprenderemos un poco más de la química orgánica.
QUÍMICA – REACTIVIDAD EN QUÍMICA ORGÁNICA
Reactividad en química orgánica.
Luego de haber visto la química desde muchos puntos de vista, ¿te has preguntado cómo se vería una molécula desde cerca? O mejor aún, cuál es la geometría de un compuesto determinado. En este capítulo comprenderemos cómo se organizan los átomos dentro de las moléculas y cómo afecta eso a las reacciones químicas.
I] Isómeros ópticos
Imagina que tomas tus dos manos e intentas sobreponer una por sobre la otra. Invariablemente, los pulgares siempre quedarán de forma incorrecta. A pesar de ser ambas tus manos, no es posible decir que son la misma. Más aún, una es “el reflejo” de la otra. Es por esta razón que no las podemos sobreponer. Cuando ocurre el mismo proceso entre dos moléculas, estamos ante isómeros ópticos. Es decir, la misma molécula pero una es el reflejo de la otra en cuanto a la distribución de los átomos. Es más, el cambio más significativo dentro de los isómeros será que, a pesar de tener los mismos componentes y su distribución, tendrán propiedades distintas. Dato puntaje: Antiguamente, numerosos científicos lidiaban con un medicamento. En algunos casos salvaba vidas y en otro era mortal. Con los años descubrieron que ambos, el veneno y el medicamento eran isómeros ópticos de una misma especie, la cual dependiendo de la rotación de la molécula cambiaba sus propiedades.
II] Hibridación Si consideramos como válida la teoría de los enlaces atómicos, hay fenómenos que no podemos explicar. El más clarificador de ellos es el metano (CH4). Si hacemos la configuración electrónica del último nivel energético del carbono (2𝑠 ! 2𝑝!! 2𝑝!! 2𝑝!! ) vemos que sólo es posible que establezca dos enlaces. Sin embargo, vemos en la práctica que el carbono es tetravalente. ¿Cómo se explica esto? A través de la teoría de la hibridación es posible explicar este fenómeno. Supongamos que un electrón del subnivel 𝑠 salta al subnivel 𝑝! , quedando una configuración de este estilo (2𝑠 ! 2𝑝!! 2𝑝!! 2𝑝!! ). Hasta aquí sería aceptable, pues el carbono puede establecer cuatro enlaces y formar una estructura como el metano. El segundo problema es que,
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QUÍMICA – REACTIVIDAD EN QUÍMICA ORGÁNICA en el metano todos los enlaces son equienergéticos, sin embargo, nuestra teoría plantea que los enlaces deben tener distinta energía. La respuesta llega con la hibridación de los orbitales. Esto se refiere que los orbitales que se forman no son ni 𝑠 ni 𝑝, sino una mezcla entre los dos. Para efectos prácticos los llamaremos orbitales 𝑠𝑝. Finalmente, la configuración electrónica del carbono nos quedaría de la forma 𝑠𝑝! 𝑠𝑝! 𝑠𝑝! 𝑠𝑝! la cual explica la tetravalencia del carbono. En general, la teoría de los orbitales híbridos plantea que se pueden “combinar” orbitales con tal de aumentar el número de enlaces posibles. De este modo se pueden formar muchos compuestos que según la teoría tradicional de enlace no podrían existir. Por lo tanto, la hibridación de un elemento dependerá únicamente del número de átomos a los que esté enlazado. Si el carbono está enlazado a cuatro especies, su hibridación será 𝑠𝑝3, mientras que si disminuimos el número de ligandos a tres su hibridación será 𝑠𝑝2. Por último, si está enlazado a sólo dos especies, su hibridación nos quedará de la forma 𝑠𝑝.
III] Geometría molecular Imaginemos que tenemos un compuesto, el cual luego de tener su estructura de Lewis podemos identificar el número de átomos enlazados (llamados X) al átomo central (llamado A). Además, diremos que E es la cantidad de pares de electrones libres que quedan después de hacer el diagrama de Lewis para el compuesto. A continuación veremos una tabla, la cual, a partir del número de especies enlazadas nos dice la hibridación del átomo central (generalmente es el más electronegativo) junto con la geometría de la molécula.
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QUÍMICA – REACTIVIDAD EN QUÍMICA ORGÁNICA Fórm ula Geom etría 𝑨𝑿𝟐 Lineal 𝑨𝑿𝟑
𝑨𝑿𝟐 𝑬𝟐
𝑨𝑿𝟒
𝑨𝑿𝟑 𝑬
Hibridación Gráfico sp
Triangular plana
sp2
Angular
sp2
Tetraédrica
sp3
Pirámide trigonal
sp3
𝑨𝑿𝟓
Bipirámide trigonal sp3d
𝑨𝑿𝟔
Octaédrica
𝑨𝑿𝟓 𝑬
sp3d2
Piramidal cuadrado sp3d2
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QUÍMICA – REACTIVIDAD EN QUÍMICA ORGÁNICA IV] Tipos de reacciones en química orgánica A menudo vemos reacciones representadas por ecuaciones químicas. Sin embargo, lo que no vemos es el llamado mecanismo de reacción. Esto se refiere a los pasos que ocurren durante una reacción para poder obtener los productos. Para ello, primero debemos introducir conceptos que utilizaremos más adelante. -‐
Sustancia nucleofílica; Toda sustancia nucleofílica es aquella que siente “amor” hacia el núcleo. Más específicamente, todo “amor” hacia el núcleo se puede entender como una atracción de tipo electromagnética. Por lo tanto, toda sustancia nucleofílica es aquella con exceso de electrones, por lo que se siente fuertemente atraída hacia el núcleo (que es una zona con carga positiva). Existen nucleófilos de poder variable, unos más fuertes que otros, pueden tener carga negativa como el CN⁻ que es un nucleófilo fuerte, o pueden no tener carga pero necesariamente deben tener electrones no compartidos, como el 𝐻! 𝑂 que es un nucleófilo débil.
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Sustancia electrofílica: Al igual que toda sustancia nucleofílica, los compuestos electrofílicos son aquellos que se sienten atraídos hacia los electrones. Más específicamente, la atracción es de tipo electromagnética por lo que las sustancias electrofílicas deben ser sustancias deficientes en electrones (pues así se crea una atracción electromagnética).
Ahora bien, todos sabemos que los compuestos orgánicos tienen diferentes tipos de combinaciones y por lo tanto forman elementos con distintas propiedades físicas y químicas, por lo tanto, también experimentan distintos tipos de reacciones, las cuales veremos a continuación.
V] Reacciones de sustitución Sustitución Nucleofílica: Ocurre cuando una sustancia nucleofílica se acerca a un lugar deficiente en electrones. Allí se provoca un intercambio entre la sustancia que ataca (sustancia nucleofílica) por el atacado, formando así nuevas estructuras. Existen dos tipos de sustituciones nucleofilicas, la bimolecular, en el que actúa un nucleófilo fuerte en un lugar de baja densidad electrónica, o la unimolecular, en el
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QUÍMICA – REACTIVIDAD EN QUÍMICA ORGÁNICA que comunmente actúa un nucleófilo débil y en la que la velocidad de reacción solo depende de la concentración del compuesto orgánico. Sustitucion Electrofílica: Ocurre cuando una sustancia electrofílica se acerca a un lugar con exceso de electrones. En ella ocurre un intercambio entre la sustancia que ataca (sustancia electrofílica) por el atacado, formando así nuevas estructuras. Se da comúnmente con sustancias aromáticas, por lo que es también conocida como sustitución electrofílica aromática.
VI] Reacciones de Adición Este tipo de reacciones se generan cuando se adicionan grupos o átomos a una molécula. Un ejemplo que clarificará la concepción de una reacción de adición es cuando interactúa el propeno con el ácido clorhídrico: 𝐶𝐻! − 𝐶𝐻 = 𝐶𝐻! + 𝐻𝐶𝑙
[𝐶𝑙 − 𝐶𝐻! − 𝐶𝐻 − 𝐶𝐻! ]! + 𝐻 !
Es simple diferenciarlas ya que en estas reacciones a un compuesto orgánico se le agregan elementos y se nota cómo, a partir de los dos reactantes se generó el 2-‐cloropropano. Esto pudo ocurrir debido a la insaturación de la cadena de carbonos (pues posee un enlace doble).
VII] Reacciones de Eliminación Al contrario de las reacciones de adición, en las reacciones de eliminación se eliminan ciertos átomos o moléculas de una estructura y se forman enlaces dobles o triples en la molécula original. Se puede apreciar claramente en el siguiente ejemplo: 𝐶𝐻! − 𝐶𝐻! − 𝐶𝑙 + 𝑂𝐻 !
𝐶𝐻! = 𝐶𝐻! + 𝐻! 𝑂 + 𝐶𝑙 !
Notamos claramente cómo, desde el cloruro de etilo (𝐶𝐻! − 𝐶𝐻! 𝐶𝑙) se elimina un hidrógeno del 𝐶𝐻! , y además se libera un ión cloro. Luego de esto, se libera además agua y se forma el etileno (𝐶𝐻! = 𝐶𝐻! )
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