Existe un grupo de principios básicos de la química que tienen una aplicación directa en la comprensión de la reactividad de las moléculas, que es necesario el estudiante los pueda aplicar en diversos escenarios, para poder predecir lo que ocurriría si un sustrato es atacado por un reactivo en un determinado medio de reacción, de ahí la importancia de iniciar esta publicación con una revisión de los mismos.

Conceptos fundamentales:

Si bien es cierto que las reacciones de los compuestos están determinadas principalmente por sus grupos funcionales, dado que se conoce muy bien la inter conversión de los mismos no es menos cierto que también se puede comprender el comportamiento de las moléculas por lo que ocurre con el resto de la molécula, es decir con el esqueleto carbonado, el volumen de los sustituyentes, la naturaleza del sustituyente, etc.

Cuando se pretende correlacionar precisamente la naturaleza de la estructura molecular con la reactividad de la misma, todos los conceptos se suelen agrupar en tres grandes categorías, a saber:

• Efectos inductivos (o electrostáticos)

• Efectos de resonancia (o conjugación) y

• Efectos estéricos.

EFECTOS INDUCTIVOS

Los enlaces covalentes están polarizados con excepción de aquellos entre átomos idénticos. La dirección de la polarización sigue la escala de electronegatividad de Pauling. Los elementos más electronegativos que el carbono producirán una mayor polarización en dichos enlaces. Así por ejemplo, un enlace C-Br está polarizado con una ligera carga positiva en el carbono y una ligera carga negativa en el bromo. La polarización opuesta, esto es, una carga positiva en el bromo y una carga negativa en el carbono no es consistente con la escala de la electronegatividad.

La habilidad para identificar la correcta polarización de los enlaces covalentes le permite a uno predecir los sitios de reactividad, o determinar la estabilidad que tienen las moléculas orgánicas o los intermediarios.  

La polarización puede inducir un dipolo en un enlace próximo al sustituyente o en uno más alejado. Esto se conoce como el efecto inductivo (I). Los efectos inductivos son transmitidos directamente a través de una cadena de átomos dentro de una molécula pero no a través del espacio vacío, ni por la acción de las moléculas del disolvente, por esta razón este efecto decrece con la longitud de la cadena-

Los efectos inductivos pueden ocasionar la liberación de electrones (+I) o la captura de los mismos (-I). Un efecto inductivo (+I) en que se liberan electrones se relaciona con la tendencia de una sección de una molécula o de un sustituyente a despojarse de electrones, aun cuando esto no implica la donación formal de una unidad completa de carga.

Por convención se asume que los grupos que son electroatrayentes más fuertes que los átomo de hidrógeno exhiben efectos inductivos negativos (-I), en cambio aquellos que tienen una capacidad de atracción electrónica más pobre que el hidrógeno tienen un efecto inductivo positivo (+I).Los grupos alquilo son donadores de electrones (relativos al hidrógeno).

Por ejemplo, al efecto inductivo que interviene en la liberación de electrones del grupo metilo, se le debe la estabilidad de los carbocationes en la secuencia terciario > secundario > primario > metilo.

Este hecho se puede explicar cualitativamente por el supuesto de que el grupo metilo tiene más electrones disponibles para donar que el átomo de hidrógeno.

Un efecto inductivo (-I) consistente en la captura de electrones se relaciona con la tendencia de una sección de una molécula a aceptar electrones. Los grupos o átomos que presentan los efectos de captura de electrones son más numerosos que aquellos en que el efecto inductivo se manifiesta en la donación de electrones. En un ejemplo típico, el bromo en el ácido bromoacético atrae electrones, haciendo que el protón ácido se pierda con más facilidad que el protón correspondiente al ácido acético.

             pKa = 2.86  en  Br-CH2CO2H

            pKa = 4.76  en  CH3-CO2H

El flujo de electrones se dirige al bromo (alejándose del protón ácido) de la manera que se indica a continuación:

El anión en el bromoacetato es más estable que el anión en el acetato por una razón semejante. La carga en el bromoacetato es estabilizada inductivamente por el bromo receptor de electrones.

ion bromoacetato                       ion acetato

En tal sentido, los sustituyentes más comunes en las reacciones orgánicas, pueden clasificarse del siguiente modo:

Tabla 1-1. Efectos inductivos de grupos

Otros estudios sobre este comportamiento están relacionados a la ionización de los ácidos carboxílicos, en la tabla 1-2, se pueden observar los siguientes hechos:

Tabla 1-2 Valores pKa de algunos ácidos carboxílicos

• En la primera columna, se observa el efecto de introducir un sustituyente cargado. En el caso de que el sustituyente presenta carga positiva se observa que el ácido se hace más fuerte, hay mayor disociación de protones, en el caso contrario se observa un debilitamiento del ácido.

• En la segunda columna se observa el efecto de incrementar la sustitución de los hidrógenos alfa por átomos altamente electronegativos, lo que le confiere mayor capacidad de disociación de protones al ácido carboxílico, es decir lo vuelve un ácido más fuerte, y también se observa que a medida que el elemento electronegativo se aleja del grupo carboxílico, el efecto inductivo se hace cada vez menos significativo.

• Finalmente la tercer columna recoge el efecto de sustituir los hidrógenos alfa del ácido por grupos atractores de electrones, donde no solo actúa el efecto inductivo, sino que también se presentan efectos de resonancia por la presencia de dobles o triles enlaces, que estabilizan el carboxilato formado por la disociación de un protón del ácido, razón por la cual la disociación es mayor, es decir el ácido se vuelve mas fuerte.

Como se ve el efecto inductivo no actúa sólo sobre la reactividad de las moléculas, sin embargo y a pesar de no poder separar los efectos de otras influencias simultáneas que están ocurriendo en una molécula, se pueden formular una serie de generalizaciones válidas, como las siguientes:

• Un grupo electroatrayente que aumenta la acidez de un ácido, atraerá, si está sustituyendo a un átomo de hidrógeno en una amina, a los electrones del nitrógeno básico, disminuyendo así su basicidad. Asimismo, esta sustitución reducirá las constantes de formación de los compuestos de adición entre una amina e iones metálicos. Así en la amina totalmente fluorurada (CF3)3N, no se observan propiedades básicas.

• Por otro lado, los grupos electronegativos que aceleran la salida de un H+ de los ácidos, harán más dificultosa la separación del ión negativo CN- del anión cianhidrina, estabilizando así al anión cianhidrina con respecto al aldehído, en el siguiente equilibrio:

• Una reacción entre un reactivo nucleofílico y uno electrofílico se puede acelerar por sustituyentes que atraen electrones sobre el electrófilo (porque ello tiende a hacerlo más electrofílico), pero es retardada por sustituyentes electroatrayentes sobre el nucleófilo (porque ello tendería a disminuir la densidad electrónica del centro nucleofílico). Esto ocurre en las reacciones de adición a carbonilos y de desplazamiento nucleofílico en las aminas.

• Las reacciones de sustitución de los haluros terciarios son siempre aceleradas por sustituyentes que repelen electrones (que facilitan la salida de un ión haluro negativo en la etapa determinante de la velocidad de la ionización), e inversamente, son retardadas por grupos de atracción electrónica.

• Finalmente, la sustitución de grupos electronegativos generalmente retarda la hidrólisis, catalizada por ácido, de los derivados carbonílicos tales como las iminas, oximas e hidrazonas, pues en estos casos el equilibrio preliminar involucra la adición de un H+, al enlace C=N.

EFECTOS DE RESONANCIA (CONJUGACIÓN).

El efecto inductivo por sí solo no puede explicar la diferencia de reactividades entre varios pares de moléculas o que en algunos sistemas como las moléculas orgánicas aromáticas, su utilización simple a veces conduce a conclusiones incorrectas, debido a que en éstos últimos es más determinantes los efectos de conjugación o de resonancia, debido a la gran movilidad de los electrones pi del anillo aromático.

Considerando sólo el efecto inductivo se pueden efectuar las siguientes afirmaciones: a) el ácido p-hidroxibenzoico es un ácido más fuerte que el benzoico, b) el m-nitrofenol es un ácido más fuerte que su isómero para, sin embargo nos encontramos que en ambos casos la inversa es lo que se cumple.

Para comprender el efecto estérico es necesario recordar que la transmisión de los efectos eléctricos a lo largo de uuna cadena con enlaces sigma es muy diferente en carácter de la transmisión de los efectos que involucran electrones pi a lo largo de enlaces pi que pertenecen a un sistema conjugado.

Una variación en la densidad electrónica pi sobre un átomo del sistema conjugado puede transmitirse a través de la “corriente de electrones pi” asociada con todo el sistema con todos los átomos lejanos al lugar de perturbación afectado en igual grado que los átomos cercanos al mismo. Esta forma de transmisión se denomina efecto de resonancia o de conjugación, debido a que se puede describir fácilmente usando el lenguaje de resonancia. Así se puede entender cómo los grupos nitro y oxígeno de fenóxidos orientan a un segundo sustituyente electrofílico (carga positiva) a las posiciones meta.

El efecto de resonancia de los sustituyentes -NO2 y -O- , se puede representar por flechas curvadas que señalen la dirección hacia la cual se desplaza la densidad de electrones π. Ambos tipos de notación recalcan una importante característica de los efectos de resonancia: que ellos se transmiten, sobre todo, a átomo alternados en el sistema conjugado.

Debemos recordar que las reactividades de numerosos sustituyentes están notablemente afectadas cuando ellos se encuentran unidos a átomos de carbono no saturados. Los grupos -OH en los fenoles son mas ácidos que los grupos -OH de los alcoholes. Igualmente la basicidad de la anilina cae por debajo de las basicidades de las aminas alifáticas. La diferencia de reactividades de los haluros hacia una sustitución nucleofílica, es otra de las paradojas que sólo se pueden justificar por los efectos de resonancia.

Se explica de que los sustituyentes -NH2 y -Cl, si bien son capaces de eliminar densidades electrónicas de las cadenas de carbono saturadas por inducción, son asimismo capaces de suplir densidades electrónicas pi a sistemas conjugados. Lo miso es cierto para los siguientes sustituyentes:

- OH, -OR, -O-CO-R. -F y -Br

Por otro lado, el -NO2, -CN, -COOH. -COOR, -CHO y - COR como sustituyentes asociados con un efecto inductivo negativo, también desplazan electrones pi desde el sistema conjugado..

Tabla 1-3. Efectos de resonancia de grupos

En los compuestos bencénicos, se puede generalizar que cuando un sustituyente se encuentra en la posición para, es predominante el efecto de resonancia, para su reactividad, en la posición meta, los efectos inductivos empiezan a hacerse notorios, en cambio en la posición orto será necesario considerar ambos efectos es decir el I y R. Por ejemplo el grupo p-CH3, disminuye la acidez del ácido benzoico, fenol y también del ión anilonio en forma más eficaz que el m-CH3, se supone entonces que la acción repelente de electrones para este grupo opera a través de efectos de conjugación tanto como de inducción.

Cuando una molécula o ión puede ser representado por dos o más estructuras de Lewis que difieren sólo en la posición de sus electrones, se debe tener en cuenta que : a) ninguna de esas estructuras de Lewis representa a la estructura real de la molécula o ión, y (que se conoce como híbrido de resonancia) de estas estructuras resonantes. La resonancia como ya se dijo, implica colocar en forma alternada los electrones de no enlace o electrones π a lo largo del mismo esqueleto, sin cambio alguno en las posiciones de los átomos.

Al escribir las estructuras de resonancia deben seguirse las siguientes reglas generales:

• Cuanto mayor sea el número de estructuras de resonancia que puedan escribirse para una especie, esta especie será más estable.

• Las estructuras de resonancia en las que todos los átomos tengan completo su octeto de electrones, son las más estables.

• Cuando otros factores sean iguales, una estructura de resonancia con una carga negativa sobre el átomo más electronegativo tendrá una mayor estabilidad. A la inversa, cuando una estructura de resonancia tenga una carga positiva en el átomo menos electronegativo, ésta será más estable.

• Se consigue una mayor estabilidad de una especie (anión o catión) cuando las estructuras de resonancia que contribuyen al híbrido de resonancia son equivalentes, es decir, cuando tienen la misma energía.

EFECTOS ESTÉRICOS

Desde hace mucho tiempo atrás se sabía que un sustituyente podía influir en una reacción por su capacidad en ocupar un espacio, así, las reacciones de esterificación son retardadas al sustituir los hidrógenos alfa o beta, en el ácido o en el alcohol, por grupos alquilo, y los ésteres de estos ácidos o alcoholes “obstruidos”, una vez formados, se saponifican con una lentitud no usual.

Las hidrólisis de los benzonitrilos o benzamidas sustituidas en orto son, mucho más lentas que las de los correspondientes compuestos sustituidos en para o no sustituidos. Las reacciones de adición a carbonilos de cetonas alifáticas son fuertemente inhibidas por ramificaciones en las posiciones alfa. Estos efectos a veces se clasifican como un fenómeno de obstrucción estérica, es decir, situaciones en las cuales el contacto entre los centros de reacción se hace más difícil por interferencia de grupos que no participan en la reacción. Sin embargo, dadas las condiciones correctas, los efectos estéricos pueden acelerar y no retardad las reacciones.

Los efectos de resonancia asociados con un sistema conjugado son más pronunciados cuando los átomos de este sistema yacen en un plano común, disminuyendo rápidamente cuando aumentan las desviaciones de la coplanaridad. Por otro lado también se debe tomar en cuenta que los efectos estéricos también estarán presentes en los sistemas alicíclicos, se tiene una serie de estudios particularmente sobre los derivados ciclobutanos y ciclopentanos.

Energías de disociación de enlace

La energía de disociación del enlace (dada como ΔH en kcal/mol o kJ/mol) es la energía que se necesita para la homólisis endotérmica de un enlace covalente A:B → A.  +  B. ; ΔH = (+). La formación de enlace, lo contrario de esta reacción, es exotérmica y los valores de ΔH son negativos. Ejemplo:

Rupturas endotérmicas                                Formación  exotérmicas

 La reacción en general es exotérmica con un ΔH = (-) 24 kcal/mol

 Velocidades de las reacciones.-

La velocidad de la reacción  dA + eB →  fC + gD, está dada por: velocidad (v) = k/A/x/B/y donde k es la constante de velocidad a temperatura T. Los valores numéricos de los exponentes x e y se determinan experimentalmente; no necesitan ser los mismos que d y e, los coeficientes de la reacción química. La suma de los valores de los exponentes se define como el orden de la reacción.

Dadas ciertas condiciones, los factores que determinan la velocidad de una reacción son:

1.      El número de colisiones por unidad de tiempo.

2.      La entalpía de activación (Energía de activación, E. acti.)

Teoría del estado de transición y diagramas de entalpía

Cuando los reactivos se han encontrado en colisión con suficiente entalpía (H) de activación y debida orientación, pasan a través de un Estado de Transición (ET) hipotético en el cual algunos enlaces se rompen y otros se pueden formar.

La relación entre el estado de transición (ET), los reaccionantes (R) y productos (P) se muestra mediante el diagrama de la figura, para una reacción exotérmica A  +  B  →  C  +  D  de un solo paso.

La formación de moléculas con baja entalpía se favorece en el estado de equilibrio, o sea, C  +  D. Sin embargo esto se aplica únicamente cuando ΔH de una reacción predomina sobre TΔS en la determinación del estado de equilibrio.

Termodinámica de las reacciones

La Termodinámica y la velocidad de una reacción determinan si esta reacción puede ocurrir. La termodinámica de un sistema se describe en términos de varias funciones importantes.

•    ΔE, el cambio en la energía, es igual a qv, el calor transferido a/o desde un sistema a volumen constante:

ΔE = qv.

• ΔH, el cambio en la entalpía, es igual a qp, el calor transferido a/o desde un sistema a presión constante: ΔH = qp. Puesto que la mayoría de las reacciones orgánicas se efectúan a presión atmosférica en recipientes abiertos ΔH se utiliza más a menudo que ΔE. El ΔH de una reacción química es la diferencia en las entalpías de los productos, H(P), y los reaccionantes, H(R): ΔH = HP - HR.

• ΔS, es el cambio en la entropía. La entropía es la medida de la distribución al azar. Mientras mayor sea este azar, más grande será S; mientras más grande sea el orden, más pequeño será S. Para una reacción: ΔS = SP - SR.

• ΔG, es el cambio en la energía libre. A presión constante, ΔG = ΔH - TΔS, (T = temperatura absoluta).

Reactivos Electrofílicos y Nucleofílicos

Las reacciones generalmente ocurren en los sitios reactivos de las moléculas y los iones. Estos sitios se agrupan principalmente dentro de dos categorías. La primera tiene una alta densidad electrónica porque el sitio es negativo. Tales sitios ricos en electrones son llamados Nucleofílicos y las especies que poseen tales sitios se denominan Nucleófilos o donantes de electrones, es decir son bases de Lewis y pueden ser de tres tipos los nucleófilos:

La segunda categoría son especies capaces de adquirir electrones. Estos sitios deficientes de electrones son Electrofílicos y las especies que los poseen se denominan Electrofilos o receptores de electrones; consiguientemente los ácidos de Lewis son esencialmente electrófilos, los mismos que pueden ser de dos tipos:

a) Especies neutras capaz de adquirir más electrones.(especies con orbitales vacíos)

b) Especies con el extremo δ(+) de un enlace polar.

c) Especies con carga positiva

REACCIONES ORGÁNICAS

En Química Orgánica se conocen muchas reacciones que permiten convertir una estructura en otra, en este sentido debe distinguirse entre equilibrio y velocidad de reacción. El equilibrio se refiere a las cantidades relativas de productos y reactivos que se espera obtener según la termodinámica de la reacción siempre y cuando exista entre ellos un camino de reacción posible. También se conoce que muchas reacciones son características de determinados grupos funcionales y que constituyen una gran parte de la química de dichos grupos y por último es necesario prestar atención al camino de la reacción, o mecanismo, mediante el cual los reactivos se transforman en productos.

TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS

Atendiendo a la variación del esqueleto carbonado las reacciones orgánicas suelen clasificarse en:

1. - Adiciones. Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta un incremento en el número de átomos a través de la incorporación de los átomos del reactivo y sin ninguna pérdida de los que poseía inicialmente. Ejemplos:

2,- Eliminaciones. Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta una disminución en el número de átomos originales al perderse un fragmento pequeño (habitualmente no carbonado) por la acción de un reactivo, en cierto sentido pueden ser consideradas como las reacciones inversas de las adiciones. Ejemplo:

3.- Sustituciones. Consisten en procesos en los que un átomo o grupo de átomos del compuesto de partida es reemplazado por un átomo o grupo de átomos procedente del reactivo. Ejemplos:

4.- Transposiciones. Consisten en procesos en los que suele modificarse el número de átomos de carbono presentes en la molécula de partida, variando única y exclusivamente la disposición relativa de los átomos entre si, resulta frecuente que las transposiciones puedan ir acompañadas de pérdida de una molécula pequeña no carbonada, tales como agua, amoniaco, hidrácidos, etc. Ejemplo:

5.- Condensaciones. Consisten en procesos en los en los que el esqueleto carbonado experimenta un incremento en el número de átomos a través de la unión de dos moléculas relativamente pequeñas, con la consiguiente formación de enlaces C-C. No es infrecuente que la condensación vaya acompañada de la pérdida de una molécula pequeña tal como agua, amoniaco, etc. Ejemplo:

6.- Degradaciones. Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta una disminución en el número de átomos de carbono, a través de la pérdida de un fragmento carbonado habitualmente no muy voluminoso. En estas reacciones se rompen enlaces C-C. Ejemplo:

7.- Inserciones. Consisten en procesos en los que un resto carbonado o un heteroátomo portador de un par electrónico enlazante se inserta, es decir, se intercala entre dos átomos unidos entre sí por un enlace σ o π . En estas reacciones se generan dos nuevos enlaces σ a partir del par inicial σ o π y el aportado por el reactivo. Ejemplos:

8.- Extrusiones. Consisten en procesos en los que se expulsa un átomo o grupo de átomos de una molécula que se encontraba unido a otros dos por un enlace π o dos enlaces σ, quedando unido estos dos átomos entre sí por un nuevo enlace σ o un enlace π. Este tipo de reacción se puede considerar como la inversa a la inserción. Ejemplos:

9.- Oxidación - Reducción (Redox). Estas reacciones implican transferencia de electrones o cambio en el número de oxidación. Una disminución en el número de átomos de H enlazados al carbono y un aumento en el número de enlaces a otros átomos como C, O,  N, Cl, Br, F y S indican que hay oxidación. Ejemplos:

10.- Reacciones Pericíclicas. Son un grupo importante de reacciones diferentes en muchos aspectos a las reacciones iónicas o de radicales anteriormente mencionadas, los aspectos que lo caracterizan pueden resumirse en los siguientes puntos:

• No son relativamente afectadas por cambios en el solvente, la presencia de iniciadores o de recolectores de radicales, o por catalizadores electrofílicos o nucleofílicos.

• No hay intermedios discernibles iónicos o de radicales libres involucrados en sus mecanismos.

• Proceden con una formación y rompimiento simultáneo o concertado de dos o más enlaces covalentes, dando frecuentemente productos regioespecíficos.

Existen tres tipos de reacciones pericíclicas:

• Reacciones de cicloadición: Proceso en el cual se produce una combinación concertada de dos fracciones no saturadas (electrones π) para formar un anillo de átomos que tienen dos nuevos enlaces σ y dos enlaces π menos. Un caso particular de estas reacciones es la reacción de Diels-Alder. Por costumbre, se indica el número de electrones π de cada componente que participa de la reacción entre un par de corchetes que precede a la designación:

Ejemplo:

• Reacciones electrocíclicas: Se presentan frecuentemente en las ciclaciones concertadas de un sistema conjugado de electrones π, para formar un anillo que tiene un nuevo enlace σ entre los átomos terminales.

Ejemplo: La ciclización térmica de trienos conjugados y la apertura de ciclobutenos:

• Reacciones sigmatrópicas: Los reordenamientos moleculares en los cuales un enlace σ flanqueado (conjugado) por uno o más sistemas de electrones π, se desplaza a una nueva posición, reciben el nombre de reacciones sigmatrópicas. Estos reordenamientos son clasificados por dos números colocados entre corchetes, los cuales se refieren a la distancia relativa (en átomos) desde cada extremo de donde se ha “movido” el enlace σ.

Ejemplo: El reordenamiento de Cope es una reacción sigmatrópica [3,3]:

Las nueve reacciones iniciales consideradas, son los tipos generales de reacciones para los cuales es necesario proponer un intermedio o complejo de transición, por lo que resulta apropiado investigar qué es lo que se encuentra entre el sustrato y el producto en una reacción típica. Esto es, cuáles son los intermedios de la reacción.

Este aspecto será estudiado en el siguiente capítulo.

BIBLIOGRAFÍA

GOULD E. S. Mecanismos y Estructuras en Química Orgánica Edit. Reverté

IDEM..

GROUTAS W.C. “Mecanismos de Reacción en Química Orgánica”. Año 2000, Edit. Mc Graw Hill.

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