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Química orgánica y reacciones químicas · Compuestos orgánicos y grupos funcionales

Mecanismos de reacción orgánica

Cuando el gas propano de la estufa arde, o cuando una botella de vino se avinagra, los enlaces de unas moléculas se rompen y se forman otros nuevos. Pero ¿cómo se rompe un enlace? ¿Cada átomo se queda con un electrón, o uno de los dos se lleva el par completo? La respuesta cambia por completo lo que se forma y lo que viene después. En esta página aprenderás a describir esos caminos, llamados mecanismos de reacción, y al final volveremos a la pregunta: ¿por qué un alcohol puede dar un aldehído y otro no?

Cómo se rompe un enlace: homólisis y heterólisis

Un enlace covalente A–B es un par de electrones compartido. Al romperse, ese par se puede repartir de dos maneras:

  • Homólisis: el par se reparte por igual, un electrón para cada átomo. Se forman dos radicales, especies neutras con un electrón desapareado (se escribe con un punto: $\text{A}\cdot$).

  • Heterólisis: el par se lo lleva completo uno de los átomos (el más electronegativo). Se forman dos iones: un catión $\text{A}^+$ y un anión $\text{B}^-$.

Dos formas de romper un enlace A–B: homólisis, con un electrón para cada átomo, y heterólisis, con el par completo para B Homólisis Heterólisis AB A·B· radicales AB A⁺B⁻ iones: B se lleva el par

¿Cuándo ocurre cada una? La homólisis se favorece con luz ultravioleta, calor o enlaces entre átomos iguales o poco polares (como Cl–Cl). La heterólisis se favorece cuando el enlace es polar y hay un disolvente polar, como el agua, que estabiliza los iones.

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Define con tus palabras los términos homólisis y heterólisis. Indica qué tipo de especies se forman en cada caso: radicales o iones.

Define con tus palabras los términos homólisis y heterólisis. Indica qué tipo de especies se forman en cada caso: radicales o iones.

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Observa las dos rupturas de un enlace $\text{A–B}$: I. $\text{A–B} \rightarrow \text{A}\cdot + \text{B}\cdot$ II. $\text{A–B} \rightarrow \text{A}^+ + \text{B}^-$ Indica…

Observa las dos rupturas de un enlace $\text{A–B}$:

I. $\text{A–B} \rightarrow \text{A}\cdot + \text{B}\cdot$

II. $\text{A–B} \rightarrow \text{A}^+ + \text{B}^-$

Indica cuál es homólisis y cuál es heterólisis. Explica cómo se reparten los electrones del enlace en cada una.

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Reacción en cadena: la cloración del metano

Un ejemplo clásico de mecanismo con radicales es la cloración del metano ($\text{CH}_4$, el componente del gas natural domiciliario) con luz ultravioleta. Un mecanismo es la secuencia de pasos que explica cómo los reactivos se convierten en productos. Este tiene tres etapas (iniciación, propagación y terminación), y la propagación consta de dos pasos:

Al sumar los dos pasos de propagación se cancelan $\text{CH}_3\cdot$ y $\text{Cl}\cdot$ (se forman y se gastan), y queda: $\text{CH}_4 + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{Cl} + \text{HCl}$. Los radicales son intermediarios: no aparecen en la ecuación global.

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En la cloración del metano con luz ultravioleta, el primer paso es $\text{Cl}2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ y un paso posterior es…

En la cloración del metano con luz ultravioleta, el primer paso es $\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ y un paso posterior es $\text{CH}_4 + \text{Cl}\cdot \rightarrow \text{CH}_3\cdot + \text{HCl}$.

  1. a) Indica qué tipo de ruptura ocurre en el primer paso y por qué.
  1. b) Explica qué es el $\text{CH}_3\cdot$ y qué lo diferencia de un ion.
  1. c) Escribe la fórmula y el nombre del producto principal que se obtiene cuando $\text{CH}_3\cdot$ reacciona con $\text{Cl}_2$.
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Heterólisis: carbocationes y sustitución

En el 2-bromo-2-metilpropano, $(\text{CH}_3)_3\text{CBr}$, el enlace C–Br es polar: el bromo es más electronegativo y atrae el par. En agua, el enlace se rompe por heterólisis:

$$(\text{CH}_3)_3\text{CBr} \rightarrow (\text{CH}_3)_3\text{C}^+ + \text{Br}^-$$

El bromo se queda con el par y sale como ion bromuro; el carbono queda con carga positiva (un carbocatión). Este catión es atraído por especies con carga negativa o con pares de electrones libres, como el $\text{OH}^-$ o el agua:

$$(\text{CH}_3)_3\text{C}^+ + \text{OH}^- \rightarrow (\text{CH}_3)_3\text{COH}$$

El producto es el 2-metilpropan-2-ol, un alcohol terciario. En conjunto, el grupo –OH sustituyó al –Br: es una reacción de sustitución.

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El 2-bromo-2-metilpropano, $(\text{CH}3)3\text{CBr}$, en agua se rompe así: $(\text{CH}3)3\text{CBr} \rightarrow (\text{CH}3)3\text{C}^+ + \text{Br}^-$. a) Clasifica…

El 2-bromo-2-metilpropano, $(\text{CH}_3)_3\text{CBr}$, en agua se rompe así: $(\text{CH}_3)_3\text{CBr} \rightarrow (\text{CH}_3)_3\text{C}^+ + \text{Br}^-$.

  1. a) Clasifica esta ruptura como homólisis o heterólisis y justifica tu respuesta.
  1. b) Si el ion $(\text{CH}_3)_3\text{C}^+$ se une después a un ion $\text{OH}^-$, escribe la fórmula del producto y su nombre IUPAC.
  1. c) Indica a qué familia de compuestos pertenece ese producto.
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Oxidación y reducción en química orgánica

En orgánica no siempre es fácil seguir los electrones, así que se usa una regla práctica sobre el carbono que cambia:

  • Oxidación: el compuesto gana oxígeno o pierde hidrógeno.

  • Reducción: el compuesto pierde oxígeno o gana hidrógeno.

La cadena de oxidación de un alcohol depende de cuántos hidrógenos tiene el carbono que lleva el –OH:

Alcohol Con oxidante suave Con oxidante fuerte en exceso
Primario (R–CH₂OH) aldehído (R–CHO) ácido carboxílico (R–COOH)
Secundario (R–CHOH–R') cetona (R–CO–R') no reacciona más (cetona)
Terciario (sin H en ese carbono) no se oxida en condiciones suaves no se oxida
Oxidación del etanol: alcohol, aldehído y ácido carboxílico; la reducción recorre el camino contrario CH₃CH₂OHalcohol CH₃CHOaldehído CH₃COOHácido carboxílico oxidación → oxidación → ← reducción ← reducción

Respuesta del «tu turno»: es oxidación, porque el compuesto gana un átomo de oxígeno.

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Clasifica cada transformación como oxidación o reducción del compuesto orgánico: a) $\text{CH}3\text{CH}2\text{OH} \rightarrow \text{CH}3\text{CHO}$ b)…

Clasifica cada transformación como oxidación o reducción del compuesto orgánico:

  1. a) $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightarrow \text{CH}_3\text{CHO}$
  1. b) $\text{CH}_3\text{COCH}_3 \rightarrow \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3$

Escribe una frase que justifique cada clasificación.

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Predecir productos de oxidación

Con la tabla anterior se puede predecir. El dicromato de potasio en medio ácido ($\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7/\text{H}^+$) pasa de naranja a verde cuando oxida; es el oxidante clásico de laboratorio (y el principio de los viejos alcoholímetros).

Respuesta: para formar un ácido tendría que romperse una cadena carbonada, porque el carbono del C=O ya tiene dos enlaces con otros carbonos y no tiene un H que cambiar por –OH.

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Predice el producto orgánico y la familia a la que pertenece en cada caso: a) propan-1-ol con un oxidante suave, que se detiene en la primera etapa; b) propan-1-ol con…

Predice el producto orgánico y la familia a la que pertenece en cada caso:

  1. a) propan-1-ol con un oxidante suave, que se detiene en la primera etapa;
  1. b) propan-1-ol con un oxidante fuerte en exceso;
  1. c) propan-2-ol con un oxidante.

Escribe fórmula y nombre de cada producto. Explica por qué el resultado de (c) es distinto al de (a).

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Un estudiante escribe en su informe que, al oxidar butan-2-ol con dicromato de potasio en medio ácido, obtuvo butanal. Analiza la afirmación: a) Indica si es correcta y,…

Un estudiante escribe en su informe que, al oxidar butan-2-ol con dicromato de potasio en medio ácido, obtuvo butanal. Analiza la afirmación:

  1. a) Indica si es correcta y, si no lo es, escribe el producto esperado con su nombre IUPAC.
  1. b) Explica por qué un alcohol secundario no da aldehído ni ácido carboxílico al oxidarse.
  1. c) Describe qué proceso de oxidación-reducción permitiría volver del producto al alcohol de partida.
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Reacciones pericíclicas y cómo clasificar un proceso

Existe un tercer tipo de mecanismo. En una reacción pericíclica todos los enlaces se rompen y se forman a la vez, en un solo paso, con un reordenamiento cíclico de electrones. No hay radicales ni iones intermedios. El ejemplo típico es la reacción entre buta-1,3-dieno y eteno, que forma ciclohexeno en un único paso.

Para clasificar un proceso, hazte estas preguntas en orden:

Pregunta Si la respuesta es sí
¿Un enlace se rompe y cada átomo se queda con un electrón (radicales)? Homólisis
¿Un átomo se lleva el par y aparecen iones? Heterólisis
¿Todo ocurre en un solo paso cíclico, sin intermediarios? Pericíclica
¿El compuesto orgánico gana O o pierde H (o al revés)? Oxidación-reducción

Respuesta: oxidación (el alcohol pierde hidrógeno y se forma un C=O).

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Un grupo de estudiantes de once analiza cuatro procesos: (1) $\text{Cl}2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ bajo luz ultravioleta. (2)…

Un grupo de estudiantes de once analiza cuatro procesos:

(1) $\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ bajo luz ultravioleta.

(2) $\text{CH}_3\text{Br} \rightarrow \text{CH}_3^+ + \text{Br}^-$ en un disolvente polar.

(3) La reacción entre buta-1,3-dieno y eteno para formar ciclohexeno, en un solo paso y sin intermediarios, con un reordenamiento cíclico de electrones.

(4) La transformación de butan-2-ol en butanona con dicromato en medio ácido.

Clasifica cada proceso como homólisis, heterólisis, reacción pericíclica u oxidación-reducción. Argumenta tu clasificación señalando la característica que lo identifica.

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Resumen

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