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PRINCIPIOS DE LOS MECANISMOS

DE REACCIONES ORGÁNICAS

Por: Wilbert Rivera Muñoz

Una descripción detallada, paso a paso, de lo que ocurre entre los materiales iniciales y el producto proporciona la explicación de lo que se llama mecanismo de reacción. Para comprender y predecir un mecanismo de reacción en química orgánica, es necesario

manejar conceptos teóricos y propiedades de las sustancias, atribuibles a su estructura, que en cierto modo son los responsables de la reactividad molecular.

Por otro lado, es fundamental que un químico orgánico, conozca los principios de los mecanismos de las reacciones orgánicas, tales como los efectos inductivos, efectos de resonancia, efectos estéricos y los métodos cinéticos y no cinéticos para establecer un mecanismo de reacción con la mayor precisión y certidumbre posible, lo que hace de esta rama de la química, una ciencia particularmente apasionante.

1. REACTIVIDAD DE LAS MOLÉCULAS

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:

o        Efectos inductivos (o electrostáticos)

o        Efectos de resonancia (o conjugación) y

o        Efectos estéricos.

1.1. 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[1]:

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[2]

o        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.

o        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.

o        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:

o        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.

o        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:

o        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.

o        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.

o        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.

1.2. 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.

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

Tabla 1-3. Efectos de resonancia de grupos +R, grupos -I -R, grupos -I +R, grupos +I -F -Cl -Br -I -OH -OR -OCOR -SH -SR -NH2 -NR2 -NHCOR -NO2 -CN -CHO -COR -COOH -COOR -CONH2 -SO2R -CF3 -O- -S- -CH3 -CR3 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[3]:

• 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.

1.3. 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.

1.4. 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.

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

ΔE = qv.

v     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 = H_P - H_R.

v     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 = S_P - S_R.

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

2. 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:

a)      Especies con un par de electrones no compartidos. Moléculas donde los elementos del quinto y sexto grupos de la tabla periódica tienen pares de electrones no compartidos (tales como aminas, alcoholes, éteres y mercaptanos).

R2S

b)      Especies que van desde los enlaces esencialmente iónicos hasta los que cuentan con un enlace polar que presentan una región δ(-).(tales como haluros, hidróxidos, alcóxidos, iones sulfuro y carbaniones).

OH-

ArO-

RO-

RLi

(Ar)RCOO-

SR-

X-

(Ar)RMgX

(R)2CuLi

NaNH2

LiAlH4

NaBH4

c)      Especies con electrones π. (olefinas e hidrocarburos aromáticos)

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)

AlCl3

SO3

BH3

R3B

CO2

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

RXAlBr3

RCO-AlCl4

RCHO

RCOR

SOCl2

RCOOR

RCOOCOR

c) Especies con carga positiva

NO2+

PhN2+

H+

R+

3. 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.

3.1. 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:

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

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

o        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:

o        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:

o        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:

o        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

3. 2. INTERMEDIOS DE REACCIóN

Un mecanismo implica uno o varios intermedios. A primera vista, la lista de posibles intermedios es tan larga que descorazonaría a cualquiera. Sin embargo si se examina mas de cerca los detalles de cualquier reacción orgánica, se llega a una de las más fascinantes generalizaciones de la disciplina "casi todas las reacciones orgánicas se desarrollan a través de cuatro tipos de intermedios". Basándose en la abundancia o deficiencia de electrones alrededor del átomo de carbono reactivo, los cuatro tipos de intermedios son:

v     Los que tienen un átomo de carbono positivamente cargado,

v     Los que tienen un átomo de carbono negativamente cargado,

v     Un radical libre neutro con vacante para un electrón y

v     Un carbono neutro con vacantes para dos electrones.

Intermedios con carbono cargado positivamente

El carbono puede tener una carga positiva formal debido a una deficiencia de electrones. Puesto que el intermediario es un catión del carbono, se llama carbocatión.

Carbocatión

Una reacción SN1 típica, como la hidrólisis del cloruro de t-butilo que se muestra a continuación, se desarrolla a través de un carbocatión intermedio.

Cloruro de t-butilo               Carbocatión               Alcohol t-butílico 

Sin embargo, cuando la carga del carbono no está totalmente establecida, es un complejo activado (en el estado de transición de una reacción), no se le asigna una carga formal definida. Se utilizan en su lugar cargas parciales para describir el complejo, como se indica a continuación:

Las reacciones S_N2 se desarrollan típicamente en un sólo paso a través de un estado de transición. En el ejemplo específico S_N2 que sigue, el ión yoduro es desplazado por el ión hidróxido.

No se trata de igualar aquí un complejo activado con un intermedio. Lo esencial es que el carbono sigue siendo positivo, no importa cual sea el valor alcanzado por la carga.

Intermedios con carbono cargado negativamente.

El carbono puede tener un octeto lleno y un exceso de electrones en relación con el número total de protones en el núcleo. Por consiguiente, puede llevar una carga formal negativa. Este anión del carbono se conoce apropiadamente como carbanión.

Carbanión

La condensación de Claisen, que se muestra a continuación, constituye una reacción típica que se desarrolla mediante un carbanión intermedio. Una vez formado, el carbanión intermedio reacciona con otra molécula de acetato de etilo que no ha reaccionado todavía, para desplazar el ión alcoholato (EtO-), con la formación concomitante del acetoacetato de etilo.

Acetato de etilo                       Carbanión             Acetoacetato de etilo

Un átomo de carbono sin carga, con vacante para un electrón (radical libre).

En este radical libre, no hay carga en el átomo de carbono, pero dicho intermedio sigue siendo deficiente en electrones en relación con su capacidad de electrones totales.

Radical libre

La ruptura homolítica de un enlace covalente puede producir un radical libre como intermedio. Por ejemplo, la bromación del 2-metilpropano, se inicia con la disociación homolítica del bromo y continua con la formación de un radical libre que contenga carbono. El producto (bromuro de isopropilo) se forma cuando el radical isopropilo reacciona con el bromo molecular.

Etapa I                       

                       

Etapa II

           

                                                            Radical libre isopropilo

Etapa III

Un átomo de carbono sin carga con vacante para dos electrones (carbeno).

Tampoco aquí hay carga sobre el átomo de carbono, pero éste es deficiente en electrones y divalente. El intermedio de este tipo se conoce como carbeno. En el ejemplo que se muestra a continuación, se genera diclorocarbeno a partir de cloroformo y de una base fuerte, luego se añade el ciclopenteno para formar el producto bicíclico observado.

diclorocarbeno             6,6-diclorobiciclo (3.1.0) hexano

La selección de un intermedio es de suma importancia en la definición de un mecanismo. Una vez que se ha hecho la selección, todas las etapas del mecanismo propuesto deberán apoyarse en los conceptos fundamentales que les corresponda. Estos conceptos, son entre otros, polarización, los efectos inductivos, los cálculos de carga formal, los efectos de resonancia y los de la teoría ácido-base.

4. Representación gráfica de un mecanismo de reacción

 a) Reacción en un solo paso, con formación de un estado de transición. La reacción del ion hidróxido con el cloruro de metilo es un ejemplo de una reacción muy general, conocida como S_N2, que implica probablemente un perfil como este.

CH3Cl   +   OH-              CH3OH   +     Cl-

b) Reacción en dos pasos, con formación de un intermedio de reacción. La reacción del cloruro de t-butilo con el ion hidróxido podría estar representada por este tipo de perfil de reacción. La cual es una  reacción S_N1 típica.

5. Pautas para escribir los mecanismos de las reacciones

1.       El mecanismo que se proponga debe explicar "satisfactoriamente" la cinética de la reacción, el comportamiento termodinámico del proceso y fundamentalmente la formación del producto.

2.       Se debe recordar que el carbono, en su estado básico tiene cuatro enlaces (y sólo cuatro) y obviamente los compuestos orgánicos aislables (que no sean intermediarios) contendrán cuatro enlaces.

3.       Las flechas curvas utilizadas indican la dirección del "flujo de electrones" que se supone deberá producirse dentro de una estructura, para transformarse en la siguiente especie química, que podría ser un intermediario (molécula precursora) o simplemente un complejo activado. Debe indicarse que el flujo de electrones va de la especie considerada como una base de Lewis (por lo tanto donadora de pares de electrones) (nucleófilo) (electrones no enlazados o electrones π), hacia el ácido de Lewis (aceptor de pares de electrones) (electrófilo)

4.       Si el solvente que se utiliza para la reacción química es el agua, la base más fuerte que puede existir en él es el ion hidróxido y el ácido más fuerte es el ion hidronio, H₃O⁺.

5.       Agregar el número suficiente de pares de electrones libres a cualquier heteroátomo (átomos diferentes al carbono e hidrógeno, como O. N. P, S, B, X, etc.) para completar su octeto de electrones. Esto permite identificar la especie que podrá donar electrones o aquella que los aceptará en una determinada molécula. Esto se resume adicionando en los heteroátomos sólo los pares de electrones libres sin compartir (de no enlace).

6.       En una solución ácida, las sustancias oxigenadas pueden presentarse del siguiente modo:

o        El OH de un alcohol estará protonado con la perspectiva de eliminarse como una molécula de agua y originar un carbocatión, que según su estructura podría también sufrir un reordenamiento siguiendo la regla de Saytzeff.

o        El oxígeno de un Carbonilo (aldehído y cetona), también se protona, lo que origina la transformación del enlace π del carbonilo en enlace sigma de un OH y produce una carga positiva en el carbono del carbonilo, que podría sufrir el ataque de un nucleófilo.

o        El oxígeno de un éter o epóxido, también se halla protonado, con tendencia a originar el rompimiento del enlace C-O, para formar un carbocatión.

7.- El orden de estabilidad de un carbacatión es: terciario>secundario > primario > CH₃⁺.

8.-  El orden de estabilidad de un radical libre es: terciario > secundario > primario > CH₃^..

9.-  El orden de estabilidad de un carbanión es: CH₃^- > primario > secundario > terciario.

10.- Los átomos de carbono del grupo carbonilo, C=O, son electropositivos; los átomos de oxígeno del grupo carbonilo son electronegativos.

11.-  En general, los efectos de resonancia son más importantes que los efectos inductivos en la estabilidad de los intermedios.

12.- Asignar cargas formales a los átomos directamente involucrados en la reacción (las cargas formales en los átomos que no están directamente involucrados en la reacción no cambian). La cara formal (CF) en un átomo se determina con la siguiente relación:

CF = W-R-M

Donde: W = número de electrones de valencia

R = Número de electrones libres (no enlazados

M = La mitad del número de electrones que forman los enlaces

El número de electrones de valencia para un átomo corresponde a su número de grupo en la tabla periódica. Así el azufre se encuentra en el grupo VI, por tanto tiene seis electrones de valencia.

13.- Cuando un reactivo presenta más de un grupo funcional donador de un par de electrones libre o electrones π, entonces cuando se examinan las estructuras de los reactivos y productos se descubre cuál grupo funcional fue el que reaccionó inicialmente. Acompañado de una valoración de la estabilidad del intermediario formado (carbocatión, carbanión, radical).

14.- a) los pares de electrones libres (de no enlace) se encuentran más disponibles para ser donados que los electrones π (ya que estos electrones se encuentran compartidos por dos núcleos), y que b) el enlace C=C de un alqueno es más reactivo que los enlaces C=C de un anillo aromático.

15.- La mayoría de los mecanismos, en particular aquellos que involucran transposiciones del esqueleto, pueden implicar varios pasos secuenciales. Muchos de estos pasos consisten en reacciones consecutivas ácido de Lewis/base de Lewis, las que pueden ser intermoleculares (cuando la reacción involucra dos especies que pueden ser iguales o diferentes) o bien intramolecular (cuando una reacción ocurre entre partes de la misma molécula). La fuerza motriz que se halla detrás de estas reacciones es la que resulta de la ganancia en estabilidad al ir de un intermediario reactivo a otro.

Ahora bien, se procederá a utilizar esta guía con una serie de ejemplos y se partirá del hecho de que la mayor parte de las reacciones orgánicas pueden considerarse como reacciones en las que interactúan un ácido de Lewis y una base de Lewis.

EJEMPLO 1: Escribir el mecanismo que mejor explique la siguiente transformación:

Respuesta: Recuérdese que luego de la protonación del grupo -OH, la deshidratación deberá formar preferentemente el carbocatión más estable.

EJEMPLO 2: Escribir el mecanismo que mejor explique la siguiente transformación:

Respuesta: La adición sigue la regla de Markovnikov, originándose un intermedio carbocatiónico más sustituido, que luego es atacado por el nucléofilo bromo.

EJEMPLO 3: Escribir el mecanismo que mejor explique la siguiente transformación

Respuesta: La adición del H sigue la regla de Markovnikov y luego se aprovecha que el metanol es una base, donde los hidrógenos de no enlace del oxígeno, actúan en su calidad de nucleófilo sobre el carbocatión formado:

EJEMPLO 4: Escribir el mecanismo que mejor explique la siguiente transformación

Respuesta:

EJEMPLO 5: Escribir el mecanismo que mejor explique la siguiente transformación

Respuesta:

EJEMPLO 6: Escribir el mecanismo que mejor explique la siguiente transformación

Respuesta: Los electrones π del alqueno se donaran preferentemente a los electrones aromáticos, el carbocatión bencílico, busca su estabilidad a través de la eliminación de un hidrógeno adyacente.

EJEMPLO 7. - Escribir el mecanismo que mejor explique la siguiente transformación

Respuesta:

EJEMPLO 8. - Escribir el mecanismo que mejor explique la siguiente transformación

Respuesta: El hidrógeno α más acídico, es decir el hidrógeno que se halla entre los dos grupos carbonilo, será tomado por la base y se formará un carbanión, que luego actuará sobre el otro grupo éster en una reacción conocida como la de Dieckmann. Se trata pues de una condensación del tipo aldólico.

6. 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:

o        Identificación de productos

o        Ensayo de compuestos intermediarios

o        "Captura" de intermediarios

o        Evidencias obtenidas de la catálisis de reacciones

o        Experimentos cruzados

o        Marcación isotópica

o        Estudios estereoquímicos

6.1. 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:

�

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:

Tosilato de neopentilo

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:

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:

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.

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:

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.

6.2. 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.

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 RCONHBr RCONBr^- RN=C=O �( 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.

6.3. "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

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:

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.

6.4. 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:

6.5. 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:

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

6.6. 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:

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:

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.

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.

6.7. 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:

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

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.

Wilbert Rivera Muñoz

Licenciado en Ciencias Químicas

Especialista en Didáctica de la Química

Máster en Educación Superior

Docente Titular de Química Orgánica en la Carrera de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma "Tomás Frías" de la Ciudad de Potosí (BOLIVIA)

wlbrtrivera@gmail.com

[1] GOULD E. S. �Mecanismos y Estructuras en Química Orgánica Edit. Reverté

[2] IDEM..

[3] GROUTAS W.C. "Mecanismos de Reacción en Química Orgánica". Año 2000, Edit. Mc Graw Hill.