Métodos no cinéticos para determinar el mecanismo de una reacción química

Química orgánica. Reacciones químicas. Captura de intermediarios. Evidencias obtenidas de la catálisis de reacciones. Experimentos cruzados. Marcación isotópica. Estudios estereoquímicos

  • Enviado por: Wilbert Rivera Muñoz
  • Idioma: castellano
  • País: Bolivia Bolivia
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MÉTODOS NO CINÉTICOS

PARA DETERMINAR EL

MECANISMO DE REACCIÓN

El propósito de lo químicos orgánicos, es conocer con el mayor detalle posible el comportamiento de las especies reactantes en una reacción química, la ruptura y formación de nuevos enlaces, así como el movimiento de los electrones a lo largo del tiempo que dure la reacción hasta transformarse en el producto. Lamentablemente no es posible conocer con tal grado de precisión las transformaciones que ocurren y la tendencia real es llegar a obtener a través de métodos no cinéticos o cinéticos, la información necesaria para tener una comprensión del comportamiento de las especies químicas participantes en uno o más instantes críticos durante el transcurso de la reacción.

Los métodos experimentales utilizados en el estudio de mecanismo brindan resultados más expositivos que concluyentes por tal razón y para fines prácticos, un mecanismo de reacción orgánica se tomará en consideración si permite predecir las limitaciones de una reacción y la estructura de los productos. El mecanismo propuesto cobra fuerza si además conduce a predicciones cuantitativas de cómo la velocidad de reacción es afectada por la concentración de los reactivos, la temperatura, el solvente y el catalizador.

Es también deseable que el mecanismo propuesto permita predecir la forma en que variará la velocidad de la reacción al cambiar en una forma determinada la estructura de uno o más de los reactivos. Éste es el cuadro general de la investigación experimental.

Los estudios cinéticos de una reacción, son encarados en tratados de físicoquímica con la rigurosidad necesaria, razón por la cual aquí se encarará este estudio desde el punto de vista no cinético, a través de una serie de métodos que hacen al mismo desarrollo de la química orgánica como ciencia.

Estos métodos pueden agruparse del siguiente modo:

    • Identificación de productos

    • Ensayo de compuestos intermediarios

    • “Captura” de intermediarios

    • Evidencias obtenidas de la catálisis de reacciones

    • Experimentos cruzados

    • Marcación isotópica

    • Estudios estereoquímicos

IDENTIFICACIÓN DE PRODUCTOS

Posiblemente la base más importante para especular el mecanismo de una reacción sea la identificación de los productos de reacción (que en general se efectúa aun cuando no se desee investigar el mecanismo de la misma). Sin tal identificación no es posible asegurar nada sobre el camino que sigue una reacción.

Así, se sabe que por cloración del tolueno en fase vapor (e iluminación) se obtiene cloruro de bencilo, mientras que realizando la reacción en fase líquida y en presencia de cloruro de aluminio los productos de la reacción son o-clorotolueno y p-clorotolueno. Con esta base se puede afirmar que en cada caso existe un mecanismo de reacción diferente.

Algunas generalizaciones “caen estrepitosamente”, una vez que la estructura de los productos es elucidada. Así el cloruro de bencilo cuando es tratado con NaCN, forma un producto de sustitución del Cl- , por el CN-. El Cloruro se puede precipitar con Ag+. Si el cloruro de furfurilo es tratado en las mismas condiciones con NaCN, también se puede probar la presencia de cloruro en los productos por el mismo método señalado, con lo cual podría afirmarse que el CN- sustituyó al Cl-. Sin embargo esta afirmación sería errónea, porque las reacciones descritas, presentan un mecanismo diferente, como se puede deducir de las reacciones siguientes:

'Mtodos no cinticos para determinar el mecanismo de una reaccin qumica'

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Lo que demuestra que el grupo ciano entrante no se ubica en la posición abandonada por el átomo de cloro saliente.

En los ésteres del ácido p-toluensulfónico, el anión toluensulfonato (abreviado TosO-), puede ser remplazado por yoduro y por metilato, según se indica en las siguientes reacciones:

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Tosilato de neopentilo

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Tosilato de tritilmetilo

De la identificación de la estructura de los productos se concluye que ambas sustituciones son mecanísticamente diferentes, ya que en el primer caso se obtiene el mismo esqueleto carbonado y el segundo existe un reordenamiento.

Una de las situaciones más engorrosas concernientes al mecanismo de una reacción es: “¿cuál de las ligaduras se rompe durante el curso de la reacción y dónde se forman (o forma) las nuevas?.Considérese la aminación del clorobenceno según la reacción de Chichibabín:

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Podría afirmarse que el grupo amino entra a ocupar el lugar que deja el Cl-, con esta afirmación se esperaría que la aminación del o-yodoanisol pueda dar el o-anisidina, paradógicamente lo que se observa es la formación del m-anisidina, concluyéndose de este modo, que el grupo amino no entra al átomo que estaba unido el halógeno:

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Podría argumentarse que el grupo metoxi, influye en esta orientación, sin duda este conflicto puede resolverse aplicando métodos isotópicos, que serán explicados más adelante.

En el reordenamiento de Claisen por calentamiento de éteres, se convierten los alilfeniléteres en o-alilfenoles.

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La interrogante en esta transposición está referida a conocer si el átomo de carbono que formaba la unión etérea es el mismo por el que resulta unido al anillo bencénico. Para aclarar este aspecto se realiza la misma reacción con el éter alílico sustituido, como se observa en la siguiente ecuación:

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Esta reacción demuestra, que no es el carbono de la unión etérea el que se une al anillo, sino es aquel que se halla relacionado con el grupo bencénico. También esta problemática puede ser aclarada de manera muy expedita, es decir sin duda alguna, si se recurre a la marcación isotópica.

ENSAYOS DE COMPUESTOS INTERMEDIARIOS

El compuesto que se sospecha es un intemediario en una determinada reacción, puede ser aislado, identificado y vuelto a colocar en el reactor en las condiciones que prevalecen durante la reacción, en caso de formarse los productos esperados a una velocidad no menor que la de la reacción “no interrumpida”, se puede concluir de que la reacción transcurre a través del intermediario aislado.

Por ejemplo en la reacción de HOESCH entre cloroacetonitrilo, resorcinol y HCl para formar el clorhidrato P1, el imino cloruro P2, es un probable intermediario, debido a que se puede por separado obtener a partir del nitrilo y HCl y luego recién hacerlo reaccionar con resorcinol bajo las condiciones de la reacción de Hoesch, para obtener el clorhidrato Mob.

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El reordenamiento de Hofmann: RCONH2 + OBr- → RNH2 + CO2 + Br- , permite transformar amidas en aminas con un átomo de carbono menos. La investigación de su mecanismo ha posibilitado aislar por lo menos tres intermediarios: una N-bromoamida, su anión y un isocianato.

RCONH2 'Mtodos no cinticos para determinar el mecanismo de una reaccin qumica'
RCONHBr 'Mtodos no cinticos para determinar el mecanismo de una reaccin qumica'
RCONBr- 'Mtodos no cinticos para determinar el mecanismo de una reaccin qumica'
RN=C=O 'Mtodos no cinticos para determinar el mecanismo de una reaccin qumica'
( RNH2 + CO2)

El hecho de que ciertos intermediarios propuestos no den los productos deseados en las condiciones experimentales de una reacción, ha obligado a muchos químicos a revisar sus ideas. Un intermediario que puede formarse por más de un camino debe mostrar un comportamiento independiente de su manera de formación. Compuestos que podrían ser posibles intermediarios, pueden eliminarse sobre la base de esta consideración, aunque no pueda aislárselos.

“CAPTURA” DE INTERMEDIARIOS

Algunas veces, un intermediario puede detectarse, aunque no aislarse, agregando a la reacción un reactivo “atrapante”. Este último se agrega para que al combinarse con el intermediario, forme un producto cuya presencia (el investigador así supone) no pueda justificarse de otra manera.

La adición de bromo a muchas olefinas en solventes polares pasa a través de un intermediario, cíclico al cual se representa:

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Una manera de demostrar que existe este ión bromonio como intermediario es la sustracción del mismo con un reactivo diferente, por ejemplo, cuando se adiciona bromo al estilbeno en presencia de etanol:

Ph-CH=CH-Ph + Br2 →

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PhCHBr-CHBrPh

PhCHBr-CHPh(OCH3)

La captura de intermediarios por métodos químicos, debe interpretarse con mucho cuidado, pues la reacción en estudio ha sido alterada por la adición del reactivo atrapante, pese a que el investigador busca que la alteración sea mínima o que la misma se produzca después de la formación del intermediario buscado.

EVIDENCIAS OBTENIDAS DE LA CATÁLISIS DE REACCIONES

La forma en que la velocidad de una reacción puede ser acelerada o disminuida brinda indicios importantes respecto de su mecanismo. Cuando las reacciones están sujetas a catálisis ácida, se supone que el intermediario en la reacción es un catión formado por eliminación de una fracción básica (OH-, OAc-, etc.) del mismo, o que es simplemente el ácido conjugado de uno de los reactantes. En cambio, si una reacción es catalizada por bases, se supone que transcurre a través de un anión formado por eliminación de un protón de uno de los reactivos (es decir, la base conjugada de uno de ellos), o a través de un aducto formado a partir de la base y uno de los reactivos.

Si la reacción transcurre a través de radicales libres, es posible constatarlo si la misma es acelerada por sustancias tales como peróxidos o azo compuestos, que producen rápidamente radicales libres. Además si una reacción es inducida fotoquímicamente, es seguro que ocurre por radicales libres y si es inhibida por yoduro de hidrógeno o hidroquinona, que reducen la concentración activa de radicales libres, puede llegarse a la misma conclusión. Ejemplo:

CH2=CH-CH2Br + HBr

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CH3-CHBr-CH2Br (lento)

CH2Br-CH2-CH2Br (rápido)

EXPERIMENTOS CRUZADOS

Las reacciones que ocurren con un reordenamiento molecular, pueden ser procesos donde un fragmento de una molécula se separa de su posición original y se une a una posición distinta de a misma molécula o de otra molécula. Al considerar el mecanismo de dichas reacciones, es importante saber cuál de las dos posibilidades es correcta; es decir, si el mecanismo es intramolecular o intermolecular. Esta cuestión puede solucionarse, a veces, mediante el empleo de una mezcla de dos reactantes similares (pero no iguales) y el posterior análisis de los productos formados, para ver si contienen fragmentos de las dos moléculas distintas de reactivos, y comprobar así si uno de los fragmentos se ha “cruzado” y unido a fragmentos del otro reactivo.

Con la finalidad de demostrar que la transposición bencidínica es intramolecular, tal cual se observa en la siguiente reacción:

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se procede a diseñar un experimento con una mezcla de hidrazobencenos similares pero no idénticas, como se observa en las siguientes reacciones:

De estas reacciones se infiere que la “nueva” unión (la C-C entre los anillos bencénicos) está casi, o totalmente, formada antes de que la “vieja” ligadura (la N - N) esté completamente abierta, o, si éste no fuera el caso, los dos fragmentos de una molécula dada no se apartan de su influencia mutua durante el tiempo necesario como para que intervenga el fragmento de otra molécula.

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MARCACIÓN ISOTÓPICA

Cuando los anteriores métodos no pueden explicar inequívocamente la ruptura y formación de los enlaces en una reacción, se recurre al método de la marcación isotópica, que consiste en preparar una molécula con un carbono radiactivo (C* marcado) C14 en los lugares que se desea investigar. Un detector de radiación es importante en el trabajo experimental (Geiger Muller).

El mecanismo de reacción del reordenamiento de Claisen anteriormente mencionado puede ratificarse a partir del siguiente experimento:

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La oxidación degradativa del producto, no produce aldehído con carbono marcado, entonces éste se halla unido al anillo aromático.

Otro caso donde se tenía dudas, estaba relacionado a la amonólisis del clorobenceno, marcando el C del anillo adecuadamente, se podrá postular el mecanismo de este tipo de reacciones:

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Cuando el estudio involucra a átomos de oxígeno o nitrógeno, no se utilizan lo isótopos radiactivos de estos elementos debido a que por ejemplo los radioisótopos del oxígeno tienen un tiempo de vida media mayor de 126 segundos y en el caso del nitrógeno de 10 minutos. De ahí que los estudios isotópicos del oxígeno y nitrógeno se realizan con muestras no radiactivas “enriquecidas” con O18 o N15. En estos casos se sigue el camino de los átomos marcados en un espectrógrafo de masas.

La saponificación del acetato de n-amilo, ha sido investigado con la utilización de agua enriquecida en O18.

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Como el acetato resultante de la reacción contiene el oxígeno enriquecido y no así el alcohol amílico, se concluye que la saponificación del acetato de n-amilo, transcurre a través de una ruptura del enlace acilo oxígeno (a) en vez de la ruptura alquilo-oxígeno.

ESTUDIOS ESTEREOQUÍMICOS

Frecuentemente las reacciones orgánicas involucran reactivos que pueden existir en formas estereoisoméricas y que, a su vez, pueden dar origen a productos que posean la misma propiedad. En muchos de tales casos la investigación de la estereoisomería de la reacción puede brindar datos importantes sobre su mecanismo.

Ejemplos:

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Aquí se supone que la reacción transcurre a través de un ión carbonio planar como intermediario.

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Al observarse la inversión de la configuración, se postula que el intermediario contiene a las moléculas de los reactantes en el proceso de formar un nuevo enlace y romper el enlace del grupo que sale. Este es un ejemplo de la llamada inversión de Walden, que se presenta cuando el mecanismo es una sustitución nucleofílica bimolecular.

BIBLIOGRAFÍA

  • BIANCA, T. “Mecanismos de Reacción en Química Orgánica”. Edit. Limusa. México 1965

  • BRESLOW, R. “Mecanismos de Reacciones Orgánicas”. Edit. Reverté S.A. 1967

  • GOULD, E.S. “Mecanismos y Estructuras en Química Orgánica”. Edit. Kapelusz

  • URL: http://www.organic-chemistry.org/namedreactions

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