2013 AWS

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 ...
7MB Größe 9 Downloads 75 vistas
2013  

Fernando  Brierley  –  Felipe  Salas  

Química  –  Reactividad  en  química   orgánica  

open green  road

 

©  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,  

open green road

2

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.      

open green road

3

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  

 

 

 

 

 

 

 

 

           

open green road

4

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.  

-­‐

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  

open green road

5

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! )    

open green road

6