Fernando  Brierley  –  Felipe  Salas  

2013

 

Química  –  Reactividad  en  química  

orgánica  

Anteriormente  vimos  muchos  compuestos  orgánicos  y  aprendimos  a  nombrarlos.  Sin  embargo,  aún  no  hemos  respondido  cómo  son  dichos  compuestos  ni  qué  reacciones  tienen  que  ocurrir  para  que  se  formen.  A  lo  largo  de  este  capítulo,  aprenderemos  un  poco  más  de  la  química  orgánica.  

 ©  Fernando  Brierley  V.  –  Felipe  Salas  B.  

2013  

 

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QUÍMICA – REACTIVIDAD EN QUÍMICA ORGÁNICA

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Reactividad  en  química  orgánica.    

Luego   de   haber   visto   la   química   desde  muchos   puntos   de   vista,   ¿te   has   preguntado  cómo  se  vería  una  molécula  desde  cerca?  O  mejor  aún,  cuál  es  la  geometría  de  un  compuesto  determinado.  En  este  capítulo  comprenderemos  cómo  se  organizan  los  átomos  dentro  de  las  moléculas  y  cómo  afecta  eso  a  las  reacciones  químicas.  

 I]  Isómeros  ópticos      

Imagina   que   tomas   tus   dos   manos   e   intentas   sobreponer   una   por   sobre   la   otra.  Invariablemente,   los  pulgares   siempre  quedarán  de   forma   incorrecta.  A  pesar  de   ser   ambas  tus  manos,  no  es  posible  decir  que  son  la  misma.  Más  aún,  una  es  “el  reflejo”  de  la  otra.  Es  por  esta  razón  que  no  las  podemos  sobreponer.  

 Cuando   ocurre   el   mismo   proceso   entre   dos  moléculas,  estamos  ante  isómeros  ópticos.  Es  decir,  la  misma  molécula  pero  una  es  el  reflejo  de  la  otra  en  cuanto  a  la  distribución  de  los  átomos.  Es  más,  el  cambio   más   significativo   dentro   de   los   isómeros  será  que,  a  pesar  de  tener  los  mismos  componentes  y  su  distribución,  tendrán  propiedades  distintas.      

Dato   puntaje:   Antiguamente,  numerosos  científicos  lidiaban  con  un  medicamento.  En  algunos  casos  salvaba  vidas  y  en  otro  era  mortal.  Con  los  años  descubrieron  que  ambos,  el  veneno  y  el   medicamento   eran   isómeros   ópticos   de   una   misma   especie,   la   cual  dependiendo  de  la  rotación  de  la  molécula  cambiaba  sus  propiedades.  

   II]  Hibridación    

Si   consideramos   como   válida   la   teoría   de   los  enlaces   atómicos,   hay   fenómenos   que   no   podemos  explicar.  El  más  clarificador  de  ellos  es  el  metano  (CH4).  Si   hacemos   la   configuración   electrónica   del   último  nivel  energético  del  carbono  (2𝑠!  2𝑝!!  2𝑝!!  2𝑝!!)  vemos  que  sólo  es   posible   que   establezca   dos   enlaces.   Sin   embargo,  vemos   en   la   práctica   que   el   carbono   es   tetravalente.  ¿Cómo   se   explica   esto?   A   través   de   la   teoría   de   la  hibridación  es  posible  explicar  este  fenómeno.    

 Supongamos  que  un  electrón  del  subnivel  𝑠   salta  

al  subnivel  𝑝! ,  quedando  una  configuración  de  este  estilo  (2𝑠!  2𝑝!!  2𝑝!!  2𝑝!!).   Hasta   aquí   sería   aceptable,   pues   el  carbono   puede   establecer   cuatro   enlaces   y   formar   una  estructura  como  el  metano.  El  segundo  problema  es  que,  

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en  el  metano  todos  los  enlaces  son  equienergéticos,  sin  embargo,  nuestra  teoría  plantea  que  los  enlaces  deben  tener  distinta  energía.      

La   respuesta   llega   con   la   hibridación   de  los  orbitales.  Esto  se  refiere  que  los  orbitales  que  se  forman  no  son  ni  𝑠  ni  𝑝,  sino  una  mezcla  entre  los   dos.   Para   efectos   prácticos   los   llamaremos  orbitales   𝑠𝑝.   Finalmente,   la   configuración  electrónica  del  carbono  nos  quedaría  de  la  forma  𝑠𝑝!𝑠𝑝!𝑠𝑝!𝑠𝑝!   la   cual   explica   la   tetravalencia   del  carbono.    

En   general,   la   teoría   de   los   orbitales  híbridos   plantea   que   se   pueden   “combinar”  orbitales   con   tal   de   aumentar   el   número   de  enlaces  posibles.  De  este  modo  se  pueden  formar  muchos   compuestos   que   según   la   teoría  tradicional  de  enlace  no  podrían  existir.    

 Por  lo  tanto,  la  hibridación  de  un  elemento  

dependerá   únicamente   del   número   de   átomos   a  los  que  esté  enlazado.  Si  el  carbono  está  enlazado  

a  cuatro  especies,  su  hibridación  será  𝑠𝑝3,  mientras  que  si  disminuimos  el  número  de  ligandos  a  tres  su  hibridación  será  𝑠𝑝2.  Por  último,  si  está  enlazado  a  sólo  dos  especies,  su  hibridación  nos  quedará  de  la  forma  𝑠𝑝.    III]  Geometría  molecular    

Imaginemos   que   tenemos   un  compuesto,  el  cual  luego  de  tener  su  estructura  de   Lewis   podemos   identificar   el   número   de  átomos   enlazados   (llamados   X)   al   átomo  central  (llamado  A).  Además,  diremos  que  E  es  la   cantidad   de   pares   de   electrones   libres   que  quedan  después  de  hacer  el  diagrama  de  Lewis  para  el  compuesto.  A   continuación   veremos   una   tabla,   la   cual,   a  partir   del   número   de   especies   enlazadas   nos  dice   la   hibridación   del   átomo   central  (generalmente  es  el  más  electronegativo)  junto  con  la  geometría  de  la  molécula.      

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Fórmula   Geometría   Hibridación   Gráfico  𝑨𝑿𝟐   Lineal   sp    

 𝑨𝑿𝟑   Triangular  plana   sp2  

 𝑨𝑿𝟐𝑬𝟐   Angular   sp2  

 𝑨𝑿𝟒   Tetraédrica   sp3  

 𝑨𝑿𝟑𝑬   Pirámide  trigonal   sp3  

 𝑨𝑿𝟓   Bipirámide  trigonal   sp3d  

 𝑨𝑿𝟔   Octaédrica   sp3d2  

 𝑨𝑿𝟓𝑬   Piramidal  cuadrado   sp3d2  

             

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IV]  Tipos  de  reacciones  en  química  orgánica  

  A  menudo  vemos  reacciones  representadas  por  ecuaciones  químicas.  Sin  embargo,  lo  que  no  vemos  es  el   llamado  mecanismo  de  reacción.  Esto  se  refiere  a   los  pasos  que  ocurren  durante   una   reacción   para   poder   obtener   los   productos.   Para   ello,   primero   debemos  introducir  conceptos  que  utilizaremos  más  adelante.  

-­‐ Sustancia   nucleofíl ica;   Toda   sustancia   nucleofílica   es   aquella   que   siente   “amor”  hacia  el  núcleo.  Más  específicamente,   todo  “amor”  hacia  el  núcleo  se  puede  entender  como  una  atracción  de  tipo  electromagnética.  Por  lo  tanto,  toda  sustancia  nucleofílica  es  aquella  con  exceso  de  electrones,  por  lo  que  se  siente   fuertemente  atraída  hacia  el  núcleo   (que   es   una   zona   con   carga  positiva).    

  Existen   nucleófilos   de   poder  variable,   unos   más   fuertes   que   otros,  pueden   tener   carga   negativa   como   el   CN⁻  que   es   un   nucleófilo   fuerte,   o   pueden   no  tener   carga   pero   necesariamente   deben  tener   electrones   no   compartidos,   como   el  𝐻!𝑂  que  es  un  nucleófilo  débil.  

-­‐ Sustancia   electrofí l ica:   Al   igual   que   toda   sustancia   nucleofílica,   los   compuestos  electrofílicos   son   aquellos   que   se   sienten   atraídos   hacia   los   electrones.   Más  específicamente,   la   atracción   es   de   tipo   electromagnética   por   lo   que   las   sustancias  electrofílicas   deben   ser   sustancias   deficientes   en   electrones   (pues   así   se   crea   una  atracción  electromagnética).  

  Ahora  bien,   todos   sabemos  que   los   compuestos   orgánicos   tienen  diferentes   tipos  de  combinaciones  y  por  lo  tanto  forman  elementos  con  distintas  propiedades  físicas  y  químicas,  por   lo   tanto,   también   experimentan   distintos   tipos   de   reacciones,   las   cuales   veremos   a  continuación.  

V]  Reacciones  de  sustitución  

Sustitución  Nucleofíl ica:  

Ocurre   cuando   una   sustancia   nucleofílica   se   acerca   a   un  lugar   deficiente   en   electrones.   Allí   se   provoca   un  intercambio   entre   la   sustancia   que   ataca   (sustancia  nucleofílica)   por   el   atacado,   formando   así   nuevas  estructuras.  Existen   dos   tipos   de   sustituciones   nucleofilicas,   la  bimolecular,   en   el   que   actúa   un   nucleófilo   fuerte   en   un  lugar  de  baja  densidad  electrónica,  o  la  unimolecular,  en  el  

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que  comunmente  actúa  un  nucleófilo  débil  y  en  la  que  la  velocidad  de  reacción  solo  depende  de  la  concentración  del  compuesto  orgánico.    

Sustitucion  Electrofíl ica:  

Ocurre   cuando  una   sustancia   electrofílica   se   acerca   a  un   lugar   con  exceso  de   electrones.  En  ella  ocurre  un  intercambio  entre  la  sustancia  que  ataca  (sustancia  electrofílica)  por  el  atacado,  formando  así  nuevas  estructuras.  Se  da  comúnmente  con  sustancias  aromáticas,  por  lo  que  es  también  conocida  como  sustitución  electrofílica  aromática.  

 

VI]  Reacciones  de  Adición  

Este  tipo  de  reacciones  se  generan  cuando  se  adicionan  grupos  o  átomos  a  una  molécula.  Un  ejemplo   que   clarificará   la   concepción   de   una   reacción   de   adición   es   cuando   interactúa   el  propeno  con  el  ácido  clorhídrico:  

𝐶𝐻! − 𝐶𝐻   = 𝐶𝐻! + 𝐻𝐶𝑙                              

[𝐶𝑙 − 𝐶𝐻! − 𝐶𝐻 − 𝐶𝐻!]! + 𝐻!  

Es  simple  diferenciarlas  ya  que  en  estas  reacciones  a  un  compuesto  orgánico  se   le  agregan  elementos  y  se  nota  cómo,  a  partir  de  los  dos  reactantes  se  generó  el  2-­‐cloropropano.   Esto   pudo   ocurrir   debido   a   la  insaturación  de  la  cadena  de  carbonos  (pues  posee  un  enlace  doble).  

 

VII]  Reacciones  de  Eliminación  

  Al  contrario  de  las  reacciones  de  adición,  en  las  reacciones  de  eliminación  se  eliminan  ciertos   átomos   o   moléculas   de   una   estructura   y   se   forman   enlaces   dobles   o   triples   en   la  molécula  original.  Se  puede  apreciar  claramente  en  el  siguiente  ejemplo:  

𝐶𝐻! − 𝐶𝐻! − 𝐶𝑙 +  𝑂𝐻!                              𝐶𝐻! = 𝐶𝐻! + 𝐻!𝑂 + 𝐶𝑙!  

Notamos  claramente  cómo,  desde  el  cloruro  de  etilo  (𝐶𝐻! − 𝐶𝐻!𝐶𝑙)  se  elimina  un  hidrógeno  del  𝐶𝐻!,  y  además  se  libera  un  ión  cloro.  Luego  de  esto,  se  libera  además  agua  y  se  forma  el  etileno  (𝐶𝐻! = 𝐶𝐻!)