Las reacciones en Química Orgánica

COLEGIO DE LOS SAGRADOS CORAZONES
PADRES FRANCESES
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS
QUÍMICA FUNDAMENTAL 4°MEDIO
SILVIA ZAMORA ROMO
LAS REACCIONES EN QUÍMICA ORGÁNICA
Los compuestos orgánicos, debido a la gran complejidad estructural que presentan
y a las propiedades de los átomos que los constituyen, pueden relacionarse de las más
diversas maneras, generando más y más compuestos, lo que explica la cantidad
incontable de moléculas orgánicas que existen.
Aún así, la gran mayoría de las uniones establecidas corresponde a enlaces
covalentes y la forma en que estos se forman y rompen se ajusta a un número reducido
de mecanismos generales. La reactividad de los distintos compuestos y por tanto, sus
propiedades, en términos químicos, depende, en general, de regiones restringidas de las
moléculas.
Estos son los grupos funcionales que, además de conferir las principales
propiedades químicas y físicas a los compuestos orgánicos, determinan también las
reacciones que estos sufren, y por tanto, con qué moléculas y bajo qué mecanismos
pueden reaccionar.
Las moléculas orgánicas, a diferencia de las inorgánicas, pueden llegar a ser
extremadamente complejas, tanto por la gran cantidad de átomos involucrados, como por
la conformación espacial que poseen. Estos factores influyen en la forma en que estas
moléculas reaccionan entre sí. A partir del estudio de múltiples reacciones, los químicos
han definido cómo estas realmente ocurren. La descripción en detalle de los procesos de
ruptura y formación de enlaces que ocurren en una transformación orgánica se denomina
mecanismo de reacción.
Cuando pensamos en la reacción entre un compuesto A con otro B-C existen tres
posibilidades para que esta reacción ocurra:
1.- Que A se una a B-C, formando un compuesto A-B-C, el cual se rompería
posteriormente dando A-B y C. NO SE DA
2.- Que al aproximarse A a B-C se vaya formando un enlace A-B, simultáneamente con el
debilitamiento del enlace B-C de tal forma que, finalmente, se forme la molécula A-B.
3.- Que, en primer lugar, se rompa el enlace B-C y una vez ocurrido esto, la molécula A
reaccione con B formando A-B.
Una observación atenta de cada situación revela que la primera opción tiene serios
problemas, debido a que se requeriría la existencia de una molécula intermediaria, en la
que el átomo de carbono de B tendría que soportar 5 enlaces.
Los casos 2 y 3 son completamente factibles y el que una reacción transcurra vía
uno u otro mecanismo dependerá de las cargas relativas de los átomos involucrados en
los enlaces y de los impedimentos estéricos que se puedan presentar.
El efecto estérico es la repulsión generada por el volumen que puedan poseer los
sustituyentes en una molécula
En un mecanismo de reacción, existen el SUSTRATO, molécula orgánica que se
transforma, y el REACTIVO, la especie química que provoca el cambio.
MECANISMO CONCERTADO (SN2) o reacción bimolecular (CASO 2): mientras
un enlace se forma, el otro se rompe; luego, no existen intermediarios presentes. En este
tipo de reacciones, la transformación es inmediata, sin la formación de intermediarios.
A + BC
AB + C
EJEMPLOS
reactivo
sustrato
reactivo
sustrato
Sustrato
Reactivo
MECANISMO EN ETAPAS (SN1) o reacción unimolecular (CASO 3): es claro
que al romperse el enlace entre B y C existe, durante un período breve de tiempo, un
intermediario que, finalmente, reacciona con A para dar A-B. Como se produce una
ruptura previa de algunos enlaces del reactivo y del sustrato
A + BC
A + B+ C
A + B+ C
AB + C
EJEMPLO
INTERMEDIARIO
INTERMEDIARIO
La existencia del mecanismo en etapas nos plantea un nuevo problema. Si ocurre
la ruptura completa del enlace entre un carbono y otro átomo, esta puede ocurrir de dos
maneras:
1.-RUPTURA HOMOLÍTICA.- Si al romperse el enlace, cada átomo se queda con uno de
los electrones involucrados en este, se trata de una ruptura homolítica, que da como
resultado la formación de un radical libre. Los radicales libres son moléculas altamente
reactivas, ya que presentan un electrón desapareado. La ruptura homolítica u hemólisis
, es propia de dos átomos que no tienen una gran diferencia en electronegatividad. Cada
átomo "se lleva" un electrón de cada pareja de electrones de enlace: da lugar a radicales
libres. Así se mide la Energía de Disociación
Ejemplo
2.- La otra posibilidad es que los electrones del enlace permanezcan con uno u otro de los
átomos que lo forman. En este caso, hablamos de ruptura heterolítica. La ruptura
heterolítica o heterolisis es propia de dos átomos cuya electronegatividad es diferente. El
átomo electronegativo "se lleva" los dos electrones de enlace: da lugar a iones.
Ejemplo
Si el carbono se queda con el par de electrones, el resultado es una molécula con
carga negativa llamada carbanión. Si por el contrario, el carbono pierde los dos
electrones, el resultado es una molécula con carga positiva, denominada cabocatión o
ión carbonio
Los intermedios de reacción son especies que no se presentan en altas
concentraciones debido a que reaccionan tan rápidamente como se forman. Los más
usuales en Química Orgánica son las especies de carbono trivalente (tres enlaces), que
se clasifican de acuerdo con su carga en:
 Carbocationes, o iones carbonio, especies químicas cargadas positivamente. En
estos intermedios el átomo de carbono trivalente tiene todos los electrones
externos compartidos.
 Radicales, también llamados radicales libres, entidades químicas electrónicamente
neutras en las que el átomo de carbono trivalente tiene un electrón no compartido.
 Carbaniones, especies cargadas negativamente, en las que el átomo de carbono
trivalente contiene un par electrónico no compartido.
Hasta este punto, tenemos claro que las reacciones orgánicas pueden transcurrir vía
un mecanismo concertado o en etapas. En este último caso, existirán intermediarios,
los que pueden ser cargados (carbaniones y carbocationes) o neutros (radicales libres).
Para todos estos casos, el éxito de la reacción dependerá del encuentro efectivo de las
moléculas, que está condicionado, entre otros factores, por la complementariedad de
carga.
En el caso que los reactivos posean una alta densidad electrónica, ya sea porque
tienen una carga negativa o porque cuenten con un par de electrones no enlazantes,
hablaremos de un reactivo nucleofílico. Por el contrario, si el reactivo es deficiente en
electrones, ya sea porque posee carga positiva o porque tiene el octeto incompleto,
hablaremos de un reactivo electrofílico.
Los reactivos nucleofílicos reaccionan con el sustrato, en aquellos centros
deficientes en electrones, o con carbocationes.
Los reactivos electrofílicos, por su parte, tienen una gran afinidad por los centros
del sustrato con alta densidad electrónica, o por los carbaniones.
Los tipos más frecuentes de reacciones orgánicas que vamos a encontrar son los siguientes:
a) Reacciones de sustitución:
Son reacciones en las que un átomo o grupo atómico se separa de la molécula reaccionante, siendo
sustituido por otro átomo o grupo atómico, que procede del reactivo atacante. Pueden representarse
por la ecuación general:
R—X + Y
R—Y + X
Las reacciones de sustitución pueden ser homolíticas o heterolíticas. Las primeras suelen ocurrir
cuando tienen que romperse enlaces poco polares (como C—C o C—H), y las segundas cuando se
rompen enlaces muy polares (C—O , C—X , siendo X un halógeno, etc.)
b) Reacciones de adición
Son típicas de los compuestos con enlaces dobles y triples. Una molécula se adiciona a los átomos
del enlace múltiple, reduciendo la multiplicidad del mismo (si era doble pasa a ser simple, si era
triple pasa a ser doble o simple). Así por ejemplo:
R—CH=CH—R' + X—X
R—CHX—CHX—R'
Reacción de adición al doble enlace
R—C C—R' + X—X
R—CX=CX—R'
Reacción de adición al triple enlace
c) Reacciones de eliminación
Son las reacciones en las que se separan dos átomos o grupos de átomos de una molécula, sin que se
produzca al mismo tiempo la penetración de nuevos átomos o grupos atómicos. En la mayoría de
los casos una molécula se transforma con pérdida intramolecular de una molécula más pequeña y
formación de un enlace múltiple, por ejemplo:
eliminación
CH3—CHOH—CH3
CH3—CH=CH2 + H2O
adición
pero existen otras reacciones de eliminación donde esto no sucede. Como se observa en el ejemplo,
las reacciones de eliminación son opuestas a las reacciones de adición, existiendo un equilibrio, que
se desplaza en uno u otro sentido según las condiciones de la reacción.
d) Reacciones de condensación
Consisten en la unión de dos moléculas con pérdida intermolecular de una molécula más pequeña,
por ejemplo:
R—O—H + HO—R'
(H2SO4)
R—O—R' + H2O
e) Reacciones de transposición o reordenación
Estas reacciones, consisten en el cambio, desde una a otra posición dentro de una molécula, de uno
o varios átomos o grupos atómicos. Las reacciones de transposición son importantes porque, en
ciertas ocasiones, los demás tipos de reacciones orgánicas van acompañadas de procesos de
reordenación molecular.
f) Otras reacciones
Existen, de otra parte, reacciones que sin ser típicamente orgánicas son muy comunes en el estudio
de los compuestos orgánicos, como por ejemplo las reacciones de combustión, ácido base, de
oxidación reducción, de síntesis, etc.
EJERCICIOS
DESARROLLO
1.- Muchos aromas naturales se obtienen por métodos sintéticos, entre ellos el aroma a
piña, que corresponde a un éster. Escribe la reacción química de formación del éster
etanoato de metilo.
2.- Identifique las siguientes especies como: (1) iones carbocationes; (2) iones carbaniones;
(3) radicales.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
3.- Escriba la fórmula para las especies que resultan de (a) ruptura homolítica, (b) ruptura
heterolítica del enlace C-C en el etano (CH3-CH3) y clasifique dichas especies.
4.- Clasifique las siguientes especies como (1) nucleofílicas o (2) electrofílicas y dé la razón
de su clasificación.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
ALTERNATIVAS
1.- Aquellos compuestos orgánicos en los que el grupo hidroxilo está unido a un radical
bencénico, se denominan:
a. Alcoholes b. Hidróxidos c. Fenoles d. Éteres
e. Cetonas
2.- La reacción entre el etino (acetileno) y el cloro gaseoso, produce 1,2 – dicloroeteno
como producto. ¿A través de qué mecanismo transcurre esta reacción?
A.Adición b. Sustitución C. Eliminación D. Sustitución aromática D.Transposición
3.- De las siguientes estructuras orgánicas, son isómeros:
a. Sólo I
b. Sólo II
c. Sólo III
d. I y III
e. I, II y III
4.- Todo alquino posee, entre sus enlaces carbono carbono insaturados:
a. Un enlace sigma ( ) y 2 enlaces pi ( )
b. Un enlace pi ( ) y 2 enlaces sigma ( )
c. 3 enlaces sigma ( )
d. 3 enlaces pi ( )
e. Dos enlaces sigma ( ) y un enlace pi ( )
5.- ¿Cual(es) de los siguientes compuestos orgánicos presenta(n) en su estructura un grupo
carbonilo?:
I) CH3 – COOH II) CH3 – CO – CH3 III) CH3 – CH2 – CO – H IV) CH3 – CH2 –OH
a) Solo I y II b) Solo I y III c) Solo II y III d) Solo I, II y III e) I, II, III, IV
6.- Dos compuestos orgánicos que tienen el mismo grupo funcional presentarán:
I) Similar reactividad química II) El mismo peso molecular
III) Idénticas propiedades físicas
a) Solo I
b) Solo I y II c) Solo II y III d) Solo I y III e) I, II y III
3. ¿Cuál de los siguientes compuestos orgánicos corresponde a un alqueno?
a) CH3 – CH2 –CHO
b) CH3 – CH2OH
c) CH3 – CH2 –CH2 – CH2 – CH3
d) CH3 – CH2 – CH = CH – CH3
e) CH3 – CH2 – CH2 – CO – CH3
4. Dos compuestos orgánicos pueden considerarse isómeros cuando tienen:
a) El mismo número y tipo de átomos, pero distinta fórmula global
b) El mismo número y tipo de átomos, pero distinta fórmula estructural
c) Distinto número y tipo de átomos, pero la misma fórmula global
d) Distinta fórmula global, pero el mismo grupo funcional
e) La misma fórmula estructural, pero distinto grupo funcional
5. El nombre correcto del siguiente compuesto, CH3 – CH2 – CO – CH3 , es:
a) Butanol b) Propanona c) Metil-etil-éter d) Butanona e) Ácido butanoico
6. Si comparamos los alcanos y los alquenos respecto a su estructura y reactividad química,
podemos afirmar que:
I) Los alquenos presentan instauraciones
II) Los alcanos son más reactivos que los alquenos
III) Los alquenos pueden presentar isomería geométrica
a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y III e) I, II y III
7. Si comparamos la butanona y el n-butanal podemos afirmar que:
I. Comparten el mismo grupo funcional
II. Son isómeros
III. Tienen la misma fórmula estructural
a) Sólo I b) Sólo II c) I y II d) I y III e) I, II y III
8.- Los orbitales híbridos sp3 del carbono:
I. Tienen geometría trigonal plana
II. Participan de la formación de enlaces simples
III. Se forman a partir de los orbitales atómicos 2s y 2p
a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) II y III e) I, II y III
9.- En la reacción siguiente :
CH3 CH2 OH + CH3COOH
X corresponde a :
a) Butanona b) Propanaldehido c) Éter dimetílico
H2O + X
d) Butanol e) Etanoato de etilo
10.- La combustión de un hidrocarburo da como producto:
a) Amina b) Amida
c) Alcohol primario d) Alcohol secundario e) CO2 y agua
11.- En la siguiente reacción:
CH3-OH + CH3-COOH CH3-COO-CH3
El producto formado corresponde a:
A) Cetona B) Ácido orgánico C) Ester D) Éter E) Alcohol
12.- Los alquenos son compuestos orgánicos cuya característica principal es que su
estructura contiene:
A) Un enlace doble carbono-carbono.
B) Un enlace triple carbono-carbono.
C) Sólo enlaces simples carbono-carbono.
D) Un enlace doble carbono-oxígeno.
E) Un enlace triple carbono-nitrógeno.
13.- ¿Cuáles de los siguientes nombres corresponde a un alcano?
A) 3-hexino B) ciclobuteno C) 4,4-dimetilheptano D) etilbenceno E) 2-hexanona
14.- El Carbono tiene 4 electrones de valencia y el Oxígeno tiene 6. Por lo tanto, la estructura
de Lewis para el compuesto CO2 debe ser: