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:
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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: $\text{A}\cdot$).
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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 $\text{B}^-$.
¿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.
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.
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.
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.
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 $\text{CH}_4 + \text{Cl}\cdot \rightarrow \text{CH}_3\cdot + \text{HCl}$.
- a) Indica qué tipo de ruptura ocurre en el primer paso y por qué.
- b) Explica qué es el $\text{CH}_3\cdot$ y qué lo diferencia de un ion.
- c) Escribe la fórmula y el nombre del producto principal que se obtiene cuando $\text{CH}_3\cdot$ reacciona con $\text{Cl}_2$.
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.
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: $(\text{CH}_3)_3\text{CBr} \rightarrow (\text{CH}_3)_3\text{C}^+ + \text{Br}^-$.
- a) Clasifica esta ruptura como homólisis o heterólisis y justifica tu respuesta.
- 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.
- c) Indica a qué familia de compuestos pertenece ese producto.
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:
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Oxidación: el compuesto gana oxígeno o pierde hidrógeno.
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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 |
Respuesta del «tu turno»: es oxidación, porque el compuesto gana un átomo de oxígeno.
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:
- a) $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightarrow \text{CH}_3\text{CHO}$
- b) $\text{CH}_3\text{COCH}_3 \rightarrow \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3$
Escribe una frase que justifique cada clasificación.
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.
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:
- a) propan-1-ol con un oxidante suave, que se detiene en la primera etapa;
- b) propan-1-ol con un oxidante fuerte en exceso;
- 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).
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:
- a) Indica si es correcta y, si no lo es, escribe el producto esperado con su nombre IUPAC.
- b) Explica por qué un alcohol secundario no da aldehído ni ácido carboxílico al oxidarse.
- c) Describe qué proceso de oxidación-reducción permitiría volver del producto al alcohol de partida.
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).
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.