Reacciones orgánicas

Las reacciones químicas implican la ruptura de enlaces existentes y la formación de otros nuevos. En química orgánica, el enlace covalente puede romperse de dos formas distintas:

1. Ruptura Homolítica: El enlace se rompe de forma simétrica. Cada átomo se queda con uno de los electrones del par compartido, generando radicales libres (especies con electrones desapareados, muy reactivas). $A:B \longrightarrow A\cdot + \cdot B$
2. Ruptura Heterolítica: El enlace se rompe de forma asimétrica. El átomo más electronegativo se queda con ambos electrones. Esto genera iones:
   • Carbocatión: Un átomo de carbono con carga positiva ($C^+$), debido a que ha perdido su electrón.
   • Carbanión: Un átomo de carbono con carga negativa ($C^-$), al retener el par de electrones.

Para entender la estabilidad de estas especies, debemos estudiar el efecto inductivo (transmisión de la carga a través de enlaces sigma por diferencia de electronegatividad) y el efecto mesómero o resonancia (deslocalización de electrones pi o pares solitarios).

Los reactivos se clasifican según su afinidad por las zonas de alta o baja densidad electrónica del sustrato:

• Reactivos Nucleófilos ("amantes de núcleos"): Son especies ricas en electrones (tienen pares solitarios o carga negativa). Atacan a centros con baja densidad electrónica. Ejemplos: $OH^-$, $NH_3$, $CN^-$, $H_2O$.
• Reactivos Electrófilos ("amantes de electrones"): Son especies deficientes en electrones (carga positiva o orbitales vacíos). Atacan zonas de alta densidad electrónica (como dobles enlaces). Ejemplos: $H^+$, $NO_2^+$, $Br^+$, $AlCl_3$.

Podemos agrupar la inmensa variedad de reacciones en unas pocas categorías principales:

• Adición: Dos moléculas se combinan para formar una sola. Típica de compuestos insaturados (alquenos y alquinos).
• Sustitución: Un átomo o grupo de átomos de una molécula es sustituido por otro.
• Eliminación: Una molécula pierde átomos en carbonos adyacentes para formar un enlace múltiple. Es la reacción inversa a la adición.
• Transposición: Reordenamiento de los átomos dentro de una molécula para dar un isómero.
• Redox: Cambios en el estado de oxidación del carbono (ganancia o pérdida de hidrógeno/oxígeno).

Ocurre cuando un nucleófilo sustituye a un grupo saliente en un carbono saturado. Existen dos mecanismos límite:

1. SN1 (Unimolecular): Ocurre en dos etapas. Primero se va el grupo saliente formando un carbocatión (etapa lenta). Luego, el nucleófilo ataca. Favorecida por sustratos terciarios y disolventes polares próticos.
2. SN2 (Bimolecular): Ocurre en una sola etapa concertada. El nucleófilo ataca por el lado opuesto al grupo saliente, provocando una inversión de la configuración (inversión de Walden). Favorecida por sustratos primarios y nucleófilos fuertes.

El benceno, debido a su estabilidad por resonancia, no da reacciones de adición fácilmente, pero sí de sustitución para mantener su aromaticidad. El mecanismo general implica el ataque del anillo al electrófilo para formar el complejo sigma (intermedio catiónico), seguido de la pérdida de un protón.

• Halogenación: Introducción de $Cl$ o $Br$ usando catalizadores como $FeCl_3$.
• Nitración: Reacción con $HNO_3$ y $H_2SO_4$ para introducir el grupo $-NO_2$.
• Alquilación de Friedel-Crafts: Introducción de cadenas carbonadas ($R-$) usando $R-Cl$ y $AlCl_3$.

Si el benceno ya tiene un sustituyente, este determina dónde entrará el segundo:

• Activantes (Orto/Para-dirigentes): Grupos que ceden electrones al anillo (como $-OH, -NH_2, -CH_3$). Aumentan la velocidad de reacción.
• Desactivantes (Meta-dirigentes): Grupos que retiran electrones (como $-NO_2, -COOH, -CN$). Disminuyen la reactividad.
• Halógenos: Son desactivantes pero orientan a orto y para.

Los electrones pi del doble enlace son vulnerables al ataque de electrófilos.

• Regla de Markovnikov: En la adición de reactivos asimétricos (como $H-Cl$) a un alqueno, el hidrógeno se une al carbono del doble enlace que ya tiene más hidrógenos. Esto se debe a que se forma el carbocatión más estable.
• Hidratación: En presencia de ácido sulfúrico, los alquenos añaden agua para formar alcoholes.

Es el método principal para sintetizar alquenos.

• Deshidratación de alcoholes: En medio ácido ($H_2SO_4$) y calor, los alcoholes pierden agua.
• Regla de Saytzeff: En las reacciones de eliminación, el producto mayoritario es el alqueno más sustituido (el que tiene más grupos alquilo unidos a los carbonos del doble enlace), ya que es el más estable termodinámicamente.

A menudo, un mismo sustrato y reactivo pueden dar ambos productos. Factores que favorecen la eliminación frente a la sustitución:

1. Alta temperatura.
2. Bases fuertes y voluminosas (como el terc-butóxido).
3. Impedimento estérico en el sustrato (carbonos secundarios o terciarios).

En química orgánica, la oxidación suele implicar ganar oxígeno o perder hidrógeno.

• Alcohol primario $\xrightarrow{[O]}$ Aldehído $\xrightarrow{[O]}$ Ácido Carboxílico.
• Alcohol secundario $\xrightarrow{[O]}$ Cetona.
• Alcohol terciario: No se oxida fácilmente porque no tiene hidrógeno en el carbono del grupo $-OH$.

Agentes comunes: $KMnO_4$ (permanganato de potasio) y $K_2Cr_2O_7$ (dicromato de potasio). La reducción es el proceso inverso (ej. de cetona a alcohol secundario usando $LiAlH_4$).

• Esterificación de Fischer: Ácido carboxílico + Alcohol $\rightleftharpoons$ Éster + Agua (catalizado por ácido). Es un equilibrio químico.
• Saponificación: Es la hidrólisis básica de un éster (o una grasa/triglicérido). $\text{Grasa} + NaOH \longrightarrow \text{Glicerina} + \text{Jabón (sal sódica de ácido graso)}$

La condensación une dos moléculas con la pérdida de una pequeña (generalmente agua).

• Formación de amidas: Ácido carboxílico + Amina → Amida + $H_2O$.
• Enlace peptídico: Es el enlace amida que une aminoácidos para formar proteínas, vital en biología.

El polímero contiene todos los átomos del monómero. Suele ocurrir mediante mecanismos de radicales libres en alquenos.

Los monómeros se unen perdiendo una molécula pequeña (agua, $HCl$). Requiere que los monómeros sean bifuncionales (dos grupos reactivos por molécula).

• Poliésteres (PET): Formados por diácidos y dioles.
• Poliamidas (Nylon): Formadas por diácidos y diaminas.

• Termoplásticos: Se pueden fundir y moldear varias veces (PE, PVC).
• Termoestables: Una vez formados, no se pueden volver a fundir sin degradarse (baquelita).
• Impacto Ambiental: La mayoría de polímeros sintéticos no son biodegradables. La investigación actual se centra en biopolímeros y en la mejora del reciclado mecánico y químico para reducir la acumulación de microplásticos en los ecosistemas.