Reacciones Orgánicas de Importancia
- 1. Combustión
- 2. Sustitución
- 3. Adición
- 4. Eliminación
- 5. Oxidación
- 6. Reducción
1. Combustión de un Hidrocarburo
La combustión es un proceso mediante el cual, por ejemplo, los combustibles fósiles son transformados en CO2, H2O y mucha energía. La combustión requiere de grandes cantidades de oxígeno. Las combustiones de alcanos son quizá las reacciones más comunes. Recordemos que son fuente primaria de energía y que se les clasifica como parafinas precisamente por su poca reactividad a las reacciones químicas.
Ejemplo:
2 C8H18 + 27 O2 → 16 CO2 + 18 H2O
2. Reacciones de Sustitución
En la reacción de sustitución se sustituyen átomos o partes de la molécula por otros átomos o partes de otras moléculas. Una de sus características es que la hibridación del átomo de carbono sobre el cual ocurre la sustitución no cambia.
Nota: Cuando se reemplaza un hidrógeno por un halógeno, la reacción recibe el nombre de halogenación, y si se reemplaza por un grupo nitro, nitración.
Sustitución Electrofílica
En la sustitución electrofílica la especie que se une al sustrato es un electrófilo, por lo que ocurre con sustratos con una alta densidad electrónica, como por ejemplo un compuesto aromático.
Nitración del benceno
NOTA: Las reacciones de sustitución electrofílica aromática son 25 veces más rápidas con tolueno que con benceno; por ello se dice que el tolueno está activado respecto del benceno frente a esta reacción. La nitración del tolueno da una mezcla de productos, en la que los mayoritarios son los que resultan de la sustitución en las posiciones orto y para. Se dice que el grupo metilo del tolueno activa dichas posiciones.
Sustitución Nucleofílica
Sustitución Nucleofílica Bimolecular (SN2)
Una reacción SN2 se caracteriza porque el nucleófilo es quien desplaza al grupo saliente, por lo que es necesario que ambos estén presentes, de ahí su nombre de bimolecular. En esta reacción no hay intermediarios, solo hay un máximo energético que corresponde a la barrera de energía de activación que los reactantes, al formar el complejo activado, deben vencer, oscilando entre ir hacia atrás para formar nuevamente los reactivos, o ir hacia adelante avanzando en la coordenada de reacción hasta llegar a los productos.
Sustitución Nucleofílica Unimolecular (SN1)
En la reacción SN1 es el propio sustrato quien elimina al grupo saliente sin que intervenga directamente el nucleófilo. Debido a esto, es una reacción en dos etapas, donde la primera involucra la formación de un carbocatión tras la pérdida del grupo saliente. Es importante la naturaleza del grupo saliente en la velocidad de reacción. El carbocatión formado tiene una estructura plana, susceptible de ser atacada por la especie nucleofílica por ambos lados.
En las reacciones de sustitución nucleofílica es muy importante el tipo de sustrato: mientras más sustituido se encuentra el carbono que ha de reaccionar, mayor tendencia a que ocurra una reacción SN1, y mientras menos sustituido, es más probable que se produzca una reacción SN2.
3. Reacciones de Adición
La adición se refiere a la inclusión de átomos o porciones moleculares en un sustrato estable e insaturado (normalmente la molécula de partida presenta dobles o triples enlaces que se pierden). El producto de una reacción de adición es siempre una molécula más saturada.
Hidrogenación
Consiste en agregar hidrógenos a un doble enlace usando un catalizador metálico (platino, paladio o níquel). Industrialmente, el proceso de hidrogenación se utiliza para lograr que algunos aceites líquidos a temperatura ambiente se transformen en sólidos y se puedan comercializar como margarinas.
El proceso de adición es simple pero se complica al usar moléculas más grandes y complejas. En este caso, la molécula que se adiciona es simétrica (H-H), por lo que no hay diferencia en los productos. Lo mismo ocurre con la reacción de halogenación (adición de Cl2, Br2 o I2).
Al usar moléculas grandes se pueden obtener varios productos, ya que al cambiar la molécula que se adiciona por una que no sea simétrica (H-X) se pueden producir dos moléculas diferentes. Para decidir dónde se adiciona la especie X y dónde el hidrógeno, se aplica la Regla de Markovnikov:
- El hidrógeno se adiciona al carbono del doble enlace que posee más hidrógenos y el halógeno en el carbono vecino.
Hidratación
Se refiere a la adición de agua al doble enlace; esta reacción se realiza en medio ácido y obedece a la regla de Markovnikov. En este caso se obtiene un alcohol como producto.
Hidrohalogenación
Se refiere a la adición de HX (donde X es un halógeno) al doble enlace. Esta reacción obedece a la regla de Markovnikov, formando el halogenuro de alquilo más sustituido como producto. La cloración de alquenos, la hidrogenación de alquenos (obtención de alcanos) y las reacciones de polimerización por adición son todas reacciones de adición.
4. Reacciones de Eliminación
En la eliminación se produce la salida de átomos desde la molécula de partida, generando un producto más insaturado. Las reacciones de eliminación se consideran contrarias a las reacciones de adición.
Deshidratación de alcoholes: Es un tipo especial de eliminación. Al eliminar una molécula de agua de un alcohol se obtiene un alqueno (deshidratación intramolecular), pero si se modifican las condiciones termodinámicas y el ácido usado, puede obtenerse un éter (deshidratación intermolecular).
5. Oxidación de Alcoholes
En química orgánica, la oxidación es el fenómeno mediante el cual las moléculas aumentan el número de enlaces con el oxígeno a medida que pierden átomos de hidrógeno. El carbono que sostiene el grupo -OH es el que pierde hidrógeno. La oxidación se puede hacer tantas veces como hidrógenos tenga el átomo de carbono. El agente oxidante que aporta los oxígenos es normalmente una sal inorgánica.
- En un alcohol primario, el carbono que reacciona tiene 2 hidrógenos; por lo tanto, la oxidación puede ocurrir en dos pasos: primero se obtiene un aldehído y luego un ácido carboxílico.
- En un alcohol secundario solo puede ocurrir una oxidación, ya que el carbono solo presenta un átomo de hidrógeno. El producto obtenido es una cetona.
- En un alcohol terciario NO hay reacción, ya que el carbono que reacciona no posee átomos de hidrógeno.
6. Reducción de Ácido Carboxílico a Alcohol
El hidruro de litio y aluminio (LiAlH4), un reductor poderoso, ataca a los ácidos carboxílicos reduciéndolos a alcoholes.
7. Reacciones de Esterificación
Los ésteres son funciones orgánicas compuestas que se pueden sintetizar a partir de alcoholes en reacción con ácidos carboxílicos. Esta síntesis va acompañada de eliminación de agua y se denomina síntesis por deshidratación. La reacción inversa a la esterificación se llama hidrólisis.
Esquema general:
Alcohol + Ácido → Éster + H2O
R’-OH + R-COOH → R-COO-R’ + H2O
La reacción de esterificación puede ser revertida en medio ácido o básico:
- En medio ácido se denomina Hidrólisis y se regenera el ácido original.
- En medio básico se denomina Saponificación y se obtiene la sal básica del ácido. En ambos casos se libera el alcohol.
Representación Tridimensional de Moléculas Orgánicas
El Átomo de Carbono
La química orgánica basa su estudio en las estructuras con átomos de carbono. Éste, al ser tetravalente, puede presentar distintas geometrías, entre ellas la disposición tetraédrica, lo que permite predecir que la gran mayoría de moléculas saturadas poseen geometrías tridimensionales. Un ejemplo es la molécula de 3-cloro-2-butanol.
Al mostrar los átomos de hidrógeno, los carbonos adquieren tridimensionalidad. Es necesario expresar esta tridimensionalidad mediante convenios claros:
1. Proyección de Cuña
El trazo continuo indica un enlace en el plano. El trazo sólido en forma de cuña indica que el enlace se proyecta por encima del plano (hacia el espectador), mientras que los trazos punteados se proyectan hacia atrás del plano. Es muy útil para ejemplificar estructuras saturadas con hibridación sp3.
2. Proyección de Newman
Se dispone la molécula a lo largo de un enlace carbono-carbono. El átomo más próximo al espectador se representa por un punto, y el átomo posterior por un círculo. Los enlaces emergen radialmente desde el punto y el perímetro del círculo, respectivamente.
3. Proyección de Caballete
Dispone la molécula en perspectiva, oblicuamente desde arriba. Los enlaces son trazos delgados y continuos. Es posible girar los carbonos (por ejemplo, 180°) para mayor comodidad, invirtiendo las posiciones de los sustituyentes.
4. Proyección de Fischer
Es la visión desde una posición superior. El enlace carbono-carbono queda sobre el plano del papel. Los trazos horizontales son enlaces que emergen hacia el espectador, y los trazos verticales (o punteados) se proyectan hacia atrás.
Isomería
Isomería Estructural
- Cadena: Ejemplo: 2,2-dimetilpropano (C5H12) y n-pentano (C5H12).
- Posición: Ejemplo: etil pentil éter y butil propil éter (C7H16O).
- Función: Ejemplo: Butanona y butanal (C4H8O).
Isomería Espacial
Isomería Conformacional
El ciclohexano no es plano. Adopta conformaciones espaciales denominadas silla (más estable) y bote (más inestable). Los enlaces se denominan axiales (verticales) y ecuatoriales (diagonales).
Isomería Geométrica (Isomería E, Z)
Se presenta en moléculas con dobles enlaces asimétricos. La geometría trigonal plana impide la rotación, permitiendo las formas cis (sustituyentes cercanos) y trans (sustituyentes opuestos).
La nomenclatura E y Z es un sistema absoluto: Z (Zusammen) equivale a cis (prioridades altas en el mismo lado) y E (Entgegen) equivale a trans (prioridades en lados opuestos).
Isomería Óptica
Es la más específica; las moléculas tienen la misma cadena y radicales, pero ordenados de forma que desvían la luz polarizada en sentidos distintos. Requiere de un centro estereogénico (carbono con 4 radicales distintos).
Las moléculas que son imágenes especulares no superponibles se denominan enantiómeros (isómeros R y S). La cantidad de isómeros ópticos se calcula con la fórmula:
Isómeros = 2n
Donde n es el número de centros estereogénicos.