ESTEREOQUÍMICA Y MECANISMOS DE REACCIÓN 1 • El alcano más sencillo es el metano CH4, perfectamente tetraédrico, con ángulos de enlace de 109.5° acordes con la hibridación sp3, los 4 átomos de hidrógeno unidos con enlace covalente al carbono central tienen una longitud de enlace de 1.09 °A • Alcano de dos carbonos llamado etano, formado por la unión de dos grupos metilo que solapan sus orbitales híbridos sp3 conformando un enlace sigma (σ ) 2 • Los dos grupos metilo enlazados por enlace sigma no están fijos en una determinada posición y son libres de rotar alrededor del enlace sigma que conecta a los carbonos, persistiendo el solapamiento lineal, las diferentes posiciones originadas por rotación en torno al enlace sencillo se llaman conformaciones, a una conformación determinada se le llama confórmero o isómero conformacional en la mayoría de los casos no se pueden aislar por la constante rotación en el enlace produciendo varias conformaciones que pueden variar en energía y por lo tanto en estabilidad. 3 • Cuando se requiere representar las distintas conformaciones de manera sencilla se utilizan las proyecciones de Newman que son resultado de la observación de la molécula a lo largo del enlace que conecta a los carbonos, el átomo de carbono frontal se representa por un punto del que parten enlaces radiales separados 120°, el carbono opuesto se representa por una circunferencia de donde se originan tres enlaces dirigidos hacia afuera en ángulo de 120° 4 5 • Para etano hay un número infinito de conformaciones, pues el ángulo entre los átomos de hidrógeno de los carbonos frontal y trasero pueden tomar un número infinito de valores, cualquier conformación se específica por el ángulo diedro (θ) ángulo entre los enlaces C-H del carbono frontal y el trasero. • En una muestra de gas etano a temperatura ambiente ( 22-25°C) las moléculas están rotando, cambiando sus conformaciones de forma constante sin embargo no todas están favorecidas, la conformación de más baja energía es la alternada, con las nubes electrónicas de los enlaces C-H separadas al máximo posible, en la eclipsada dichas nubes están muy próximas con una energía de 3.0 Kcal/mol ( 12.6 kJ/mol) mayor que la alternada a temperatura ambiente las moléculas tienen suficiente energía para vencer esa barrera rotacional 6 • Análisis conformacional es el estudio energético de las diferentes conformaciones. • Muchas reacciones dependen de la posibilidad que tiene una molécula de adoptar una conformación determinada, por lo cuál el análisis conformacional ayuda a predecir que conformaciones están favorecidas y por tanto que reacción se produce con mayor probabilidad. 7 8 9 • Impedimento estérico; la conformación eclipsada totalmente es 1.4 Kcal/mol (5.9 kJ/mol) más energética que todas las otras conformaciones eclipsadas, pues los grupos metilo de los extremos están tan próximos que sus nubes de electrones experimentan repulsión a esa clase de interferencia entre 2 grupos voluminosos se le conoce como tensión estérica o impedimento estérico 10 • Con lo anterior podemos decir que los enlaces sencillos C-C tendrán una conformación alternada siempre que esto sea posible, entre las conformaciones alternadas, la anti es la preferida pues cuenta con la energía torsional más baja, sin embargo es importante recordar que a temperatura ambiente las moléculas tienen suficiente energía para rotar y pasar por todas las conformaciones, las estabilidades relativas son importantes ya que la mayoría de las moléculas adoptaran conformaciones más estables antes que las menos estables. • Las conformaciones de los alcanos de largas cadenas es semejante en preferir las conformaciones anti y gauche dando una forma de zig-zag 11 • Los cicloalcanos son parecidos a los alquenos que al tener dobles enlaces rígidos dan origen a la isomería cis-trans ( geométrica), un ciclo alcano presenta dos caras diferentes, sí los dos sustituyentes se localizan en la misma cara tendrán una disposición cis mientras que si están en caras opuestas será trans 12 • Estabilidad de los cicloalcanos. • tensión de anillo: Son conocidos cicloalcanos hasta de 20 carbonos, pero los más comunes y frecuentes son los de 5 o 6 átomos de carbono, el estudio detallado de las estabilidades de estos anillos y sus conformaciones ayuda a entender sus propiedades. Adolf Von Baeyer intentó explicar sus estabilidades relativas, suponiendo que los átomos de carbono en los compuestos acíclicos presentan ángulos de enlace de 109.5° que ahora se explica por la geometría tetraédrica de la hibridación sp3 en los átomos de carbono. • Sí un cicloalcano requiere por su geometría ángulos de enlace distintos a 109.5° , los orbitales de sus enlaces C-C no podrán conseguir un traslape óptimo presentando una tensión angular ( tensión de Baeyer) por ejemplo el ciclo butano con ángulos de enlace de 90° presenta tensión angular pero además muestra que los enlaces C-H están eclipsados que da lugar a una tensión torsional que combinadas originan la tensión del anillo 13 • La tensión de anillo se mide, determinando la cantidad total de energía del compuesto cíclico y restándole la cantidad de energía de un compuesto de referencia libre de tensión, la diferencia será la cantidad de energía adicional debida a la tensión del anillo en un compuesto cíclico dichas determinaciones se llevan a cabo utilizando, los calores de combustión. • Calor de combustión es la cantidad de calor liberado cuando se quema un compuestos en una atmósfera de oxígeno, en un recipiente llamado bomba calorimétrica o calorímetro. Sí el compuesto tiene energía adicional resultado de la tensión de anillo, dicha energía es liberada durante la combustión. El calor de combustión se mide por el aumento de la temperatura del baño de agua que rodea el calorímetro. 14 • El calor molar de combustión del ciclohexano es casi el doble que el e ciclopropano, pues tiene el doble de metilenos (CH2) para comparar las estabilidades relativas en cicloalcanos se divide el calor de combustión entre el número de metilenos, resultando la energía por cada metileno estas energías normalizadas permiten comparar los valores relativos de tensión de anillo por cada metileno en cicloalcanos. 15 • CICLOPROPANO, La tabla muestra que tiene la mayor tensión de anillo por metilo que cualquier otro, dos factores contribuyen a esa gran tensión, el primero es la tensión angular necesaria para comprimir los ángulos de enlace desde 109.5° (tetraédrico) hasta 60° presente en el ciclopropano. El traslape de los orbitales sp3 en los enlaces C-C se debilita cuando los ángulos de enlace difieren demasiado del ángulo tetraédrico, los orbitales están impedidos de un traslape total, traslapándose en ángulo formando enlaces “curvos” muy débiles. • El segundo factor es la tensión torsional, el anillo de 3 miembros es plano con todos sus enlaces eclipsados, por lo que el ciclopropano es más reactivo que otros alcanos 16 • CICLOBUTANO, la tensión total del anillo es casi tan grande como en el ciclopropano, solo que aquí se distribuye en 4 carbonos, si fuera perfectamente plano y cuadrado tendría ángulos de enlace de 90° teniendo todos sus enlaces eclipsados. Para reducir esa tensión torsional adopta una forma ligeramente plegada con ángulos de 88° que aumentan ligeramente la tensión angular pero liberan parte de la tensión torsional que lo compensa. 17 • CICLOPENTANO, sí tuviera la forma de un pentágono regular plano sus ángulos serían de 108°, cercanos al tetraédrico (109.5°) esa estructura plana tendría todos sus enlaces eclipsados, por lo que en realidad adopta una conformación de “sobre” ligeramente doblado que reduce el eclipsamiento y disminuye la tensión torsional, esta conformación no es fija , la #pestaña parece moverse alrededor del anillo. 18 • CICLOHEXANO, es un sistema cíclico muy común en carbohidratos, esteroides, productos naturales contienen anillos parecidos a los del ciclohexano adquiriendo gran importancia sus conformaciones y estereoquímica para su reactividad, su abundancia en la naturaleza se debe a su estabilidad así como a la selectividad de sus conformaciones. Los datos de combustión muestra que no presenta tensión de anillo, debe tener ángulos de enlace cercanos al tetraédrico y además no presenta enlaces eclipsados ( tampoco existe tensión torsional) por lo que no es un anillo plano. • Para lograr los ángulos de enlace tetraédricos y conformaciones con enlaces alternados adopta una conformación “doblada” cambiando entre dos (conformación de silla y bote) siendo la más estable la conformación de silla 19 20 • Sí pudiéramos mantener al ciclohexano en una conformación de silla, veremos que existen dos tipos distintos de enlaces C-H, 6 de ellos dirigidos hacia arriba y abajo en forma paralela al eje del anillo denominados enlaces axiales y otros 6 que apuntan hacia afuera a lo largo del “ecuador” del anillo, conocidos como ecuatoriales. 21 • Conformación de ciclohexanos sustituidos. • Un sustituyente en el anillo de ciclohexano en conformación de silla puede estar axial o ecuatorial, en muchos casos su reactividad depende de la posición del sustituyente. • Ambas conformaciones están en equilibrio a temperatura ambiente, la conformación de bote torcido sirve como intermediario entre la dos de silla. 22 • La conformación de silla con el metilo ecuatorial, muestra que dicho grupo metilo tiene una relación anti con C-3 y C-5 23 24 25 26 27 • Mecanismo de reacción; El aspecto de mayor interés y utilidad de la q. orgánica es el estudio de las reacciones, ante la imposibilidad de memorizar miles de reacciones específicas, se pueden organizar en grupos basados en su mecanismo de reacción y en los intermediarios que implica la reacción. • Iniciemos con una reacción sencilla que transcurre en fase gaseosa, sin disolventes que es la halogenación de alcanos, aún cuando son tan poco reactivos que casi no se utilizan como sustancias de partida en síntesis orgánica, constituyen un inicio adecuado ya que por realizar sus reacciones en fase gaseosa no implica interacciones con los disolventes que pudieran complicar este inicio de estudio. • Proponer la ecuación de una reacción solo es el primer paso en el estudio de la reacción para conocer más a fondo la reacción debemos conocer su mecanismo, que no es otra cosa que una detallada descripción de los pasos que siguen los reactivos para transformarse en productos que implica cambios energéticos en la transformación y su estabilidad que lo estudia la termodinámica aún cuando el equilibrio energético tienda a la formación de productos es posible que la reacción no se lleve a cabo con una rapidez adecuada, para que ocurra una reacción en un periodo de tiempo adecuado si que se vuelva violenta dentro del mecanismo de reacción se debe estudiar la cinética que estudia la variación de la rapidez de una reacción bajo diferentes condiciones y concentraciones de reactivos que ayuda a proponer mecanismos acordes con los comportamientos observados. 28 • La reacción de metano con cloro produce una mezcla de compuestos clorados cuya composición depende de la cantidad de cloro así como de las condiciones de reacción para que ocurra con una rapidez adecuada se requiere luz o calor. • Que puede continuar requiriendo calor o luz para cada etapa. 29 • La secuencia anterior da lugar a varias preguntas ¿por qué se requiere calor o luz para que ocurra la reacción? ¿por qué se obtiene una mezcla de productos? ¿existe una forma de modificar la reacción para que solo de un producto puro? ¿ los productos observados se forman porque son los más estables? O ¿ se ven favorecidos porque e forman más rápido que otros? • Para responder estas preguntas se requiere observar 3 aspectos de la reacción; el mecanismo, la termodinámica y la cinética de la reacción. 30 31 32 33 34 35 • Una vez determinado el mecanismo debemos considerar energías de los pasos individuales mediante el estudio de la termodinámica de reacción, que nos dará las propiedades del sistema en equilibrio. Las concentraciones tanto de productos como de reactivos están dadas por la constante de equilibrio. • El valor de la Keq indica la posición del equilibrio si son más estables los productos o los reactivos si la Keq es mayor que 1 la reacción es favorecida de izquierda a derecha, si es menor a 1 la dirección de reacción es inversa. • La Keq es tan grande que la cantidad de reactivos en el equilibrio es casi cero, la Keq es una medida de la tendencia de la reacción a llegar a su finalización. 36 • Partiendo de la Keq es posible calcular el cambio de energía libre ( energía libre de Gibbs) G, el cambio (Δ) en energía libre asociada con la reacción (ΔG) que es una medida de la energía disponible para efectuar un trabajo. • ΔG = energía libre de los productos - energía libre de los reactivos. • Si los niveles energéticos de los productos son menores a los de los reactivos, la reacción está favorecida energéticamente con ΔG negativo que corresponde a una disminución de energía en el sistema 37 • El cambio en energía libre de Gibbs estándar ΔG° indica que tanto reactivos y productos se encuentran en condiciones estandarizadas ( sustancias puras en su estado estable a 25°C y 1 atm de presión) y su relación con la Keq está dada por la expresión: 38 • Existen dos factores que contribuyen al cambio de energía libre, el cambio en entalpía (ΔH)y el cambio en entropía(ΔS) multiplicado por la temperatura. • El cambio en entalpia (ΔH°) (calor de reacción ) es el calor generado o consumido en la reacción, es una medida relativa de la fuerza de los enlaces de reactivos y productos, favoreciendo productos con entalpia más baja (enlaces más fuertes), al generar enlaces fuertes se genera calor y la reacción es exotérmica ( entalpia con valor negativo), cuando se genera enlaces débiles se consume energía tratándose de una reacción endotérmica (entalpia con valor positivo). • El valor de ΔH° para la cloración de metano es de -105.1 kJ/mol (-25.0 Kcal/mol) correspondiente a una reacción exotérmica. 39 • Entropía (ΔS°) este término describe la aleatoriedad, libertad de movimiento, la reacciones favorecen productos con grandes entropías un valor positivo muestra que los productos tienen mayor libertad de movimiento que los reactivos y contribuye favorablemente ( valor negativo) al (ΔG°). • Muchas veces el cambio de entalpía ΔH° es mayor que el de entropía ΔS° dominando en la ecuación de ΔG°, por lo que un valor negativo de ΔS° no quiere decir que la reacción tiene un valor desfavorable del ΔG°. 40 • El cambio en entalpía ΔH° es apreciablemente mayor ( que es el caso de la mayoría de la reacciones orgánicas) por lo tanto cuando se analiza rompimiento y formación de enlaces en una reacción se puede utilizar los valores de cambio de entalpía ΔH° bajo la suposición que ΔG°~ΔH°. Sin embargo se debe ser cuidadoso al hacer esta aproximación pues existen reacciones que tienen cambios pequeños en entalpía ΔH° pero grandes en entropía ΔS°. • Colocando cantidades conocidas de metano y cloro en un calorímetro podemos determinar el valor de calor de reacción ΔH° = -105 kJ/mol (25 Kcal/mol), tratándose de una reacción exotérmica. • En muchos casos es posible predecir si una reacción es exo o endotérmica sin tener que medir el calor de reacción con un calorímetro, haciendo un calculo aproximado si sumamos y restamos los valores energéticos involucrados en la ruptura y formación de enlaces, tomando dichos valores de tablas. 41 • La Entalpía de Disociación de Enlace (EDE) es la cantidad necesaria de entalpía para romper homolíticamente un enlace, las entalpías para ruptura heterolítica depende en gran medida de la capacidad del disolvente para la solvatación de iones, por lo que se utiliza la ruptura homolítica para definir las entalpías de disociación de enlace (EDE) ya que sus valores no se ven afectados por el disolvente 42 43 • Cinética es el estudio de la rapidez de una reacción, tan importante como la posición en el equilibrio, el hecho que termodinámicamente se favorezca una reacción ΔG° negativo no indica nada respecto a la velocidad con la que ocurrirá. • La rapidez de una reacción es una medida de la velocidad con que aparecen los productos o desaparecen los reactivos que se puede obtener si se mide el aumento en concentración de productos o disminución de la concentración de reactivos respecto al tiempo. • La rapidez de una reacción depende de las concentraciones de reactivos, a mayor concentración los reactivos colisionan con mayor frecuencia y la probabilidad de que ocurra una reacción es mayor. • La ecuación de rapidez o ley de rapidez es la relación entre la concentración de reactivos y la rapidez observada, cada reacción tiene su propia ecuación de rapidez que se determina experimentalmente cambiando las concentraciones de los reactivos y midiendo el cambio 44 45 46 47 • Energía de activación, dependencia de la rapidez de reacción respecto a la temperatura. • Cada reacción tiene su constante de rapidez característica Kr, su valor depende de las condiciones de reacción en particular de la temperatura, esta dependencia la expresa la ecuación de Arrhenius. • Ea es la energía cinética mínima que deben tener las moléculas para superar las repulsiones entre sus densidades electrónicas cuando colisionan. • e –Ea/RT corresponde a la fracción de colisiones donde las partículas tienen la energía mínima Ea es posible calcularla midiendo la variación de Kr respecto a la temperatura y sustituyendo este valor en la ecuación de Arrhenius • A (factor frecuencia) representa la frecuencia de colisiones y la fracción de estas que presentan orientación adecuada y la rapidez suficiente para que ocurra la reacción. 48 • La ecuación de Arrhenius muestra como la rapidez de una reacción depende de la fracción de colisiones que tengan una Ec = Ea • La Kr aumenta rápidamente conforme aumenta la temperatura, podría parecer que aumentar la temperatura es una buena forma de ahorrar tiempo, el problema es que también las reacciones no deseadas se aceleran, se intenta encontrar una temperatura óptima que lleva la reacción con una rapidez razonable sin producir reacciones colaterales. 49 • La energía de activación Ea representa la diferencia energética entre los reactivos y el estado de transición (estado de mayor energía que da origen a la reacción). • El término, Estado de transición, muestra la configuración de transición entre reactivos y productos que puede transformarse a productos o reactivos, es inestable y no puede aislarse pues es el punto donde se rompen enlaces de los reactivos y se establecen enlaces para formar productos. 50 • Existen reacciones que involucran mecanismo de varios pasos y la presencia de intermediarios. • Tanto el radical cloro como el radical metilo son intermediarios reactivos que a diferencia de los estados de transición, estos presentan cierta estabilidad mientras no sufre colisión con otros átomos o moléculas. 51 • En una reacción de varios pasos cada uno tiene su propia rapidez, sin embargo la rapidez global esta controlada por le paso limitante de la rapidez que es aquel que requiera mayor energía • Paso limitante de la rapidez, en una reacción de varios pasos cada uno tiene su propia rapidez, sin embargo solo puede haber una rapidez de reacción global que es controlada por el paso limitante de la rapidez y lo determina el paso de mayor energía en una reacción 52 • El paso limitante en la rapidez de la cloración de metano es la reacción endotérmica del radical cloro con metano para obtener un radical metilo y una molécula de HCl. La energía de activación es de 17 KJ / mol ( 4 Kcal/mol) a t. a. El valor de e –Ea/RT es de 1300 x 10 -6 rapidez alta pero controlable. Se puede predecir que tan rápido reaccionan los distintos radicales halógeno con metano de acuerdo con su rapidez relativa basada en las energías de activación para los pasos más lentos. • La reacción del radical flúor difícil de controlar por su alta rapidez, la de cloro es moderada a temperatura ambiente pero incontrolable a 500°C, Bromo es muy lenta a t.a. pero si se calienta se obtiene una rapidez apreciable en cambio yodo aún a 500°C es demasiado lenta. 53 • La halogenación es una reacción de sustitución donde un átomo de halógeno sustituye a un hidrógeno, en el caso de metano los 4 hidrógenos son idénticos por lo que no importa cuál se sustituya, en el caso de alcanos más grandes el reemplazo de distintos átomos de hidrógeno puede generar productos distintos. La proporción de productos no es aleatoria. 54 55 56 • La reacción de bromo con propano se debe calentar e irradiar para tener una moderada rapidez favoreciendo el bromuro secundario en una relación 97:1, siendo más selectiva que la cloración (4.5:1) para explicar dicha selectividad debemos considerar los estados de transición y las energías de activación del paso limitante de la rapidez. 57 58 • La diferencia de energía entre la cloración y la Bromación se debe a la diferencia entre las entalpías de disociación de enlace (EDE) H-Cl (431 Kj/mol) H-Br (368 Kj/mol), el enlace HBr es más débil y la abstracción de un radical de hidrógeno por le radical bromo es endotérmica, hecho que explica por qué la Bromación es más lenta que la cloración pero no explica la mayor selectividad. 59 • La comparación entre los diagramas energéticos de los primeros paso de cloración y Bromación explican la mayor selectividad observada en la Bromación haciendo evidentes dos diferencias importantes: 1ª. El primer paso de propagación de la Bromación es endotérmico, mientras que en la cloración es exotérmico. 2ª. Los estados de transición de los radicales primario y secundario tienen una diferencia energética más grande en la Bromación (endotérmica) que en a cloración (exotérmica) aunque la diferencia entre ambos productos es la misma ( 13 Kj) 60 • Comparando los ET entre bromación y cloración, el estado de transición parecido a los productos en la Bromación el enlace C-H está casi roto y el átomo de carbono casi es un radical, la energía de este estado de transición refleja la diferencia energética entre radicales y productos. • En la cloración en ET es más parecido a los reactivos el enlace C-H apenas se comienza a romper y el átomo de carbono tiene poco parecido al radical, el ET refleja solo una pequeña parte de la diferencia energética entre radicales y productos siendo menos selectiva la cloración. 61 • Las reacciones anteriores son un ejemplo practico del postulado de Hammond. 62 • Intermediarios reactivos, son especies con un tiempo de vida media corta presentes en pequeñas concentraciones pues reaccionan tan rápido como se forman, generalmente son fragmentos de moléculas ( como los radicales libres) con frecuencia tienen átomos con cantidades inusuales de enlaces reaccionan rápidamente para generar productos más estables. • Aunque no son estables, la mayoría de los mecanismo de reacción los involucran. • Las especies con carbonos trivalentes se clasifican de acurdo con su carga quedepende del número de electrones no enlazados. 63 • Un carbeno tiene dos electrones no enlazados en el átomo de carbono divalente por lo que no tienen carga. 64 • Carbocatión, ion carbenio o ion carbonio, es una especie con un átomo de carbono positivo con solo 6 electrones en la capa de valencia tiene una hibridación sp2 de estructura plana con ángulos de enlace de aproximadamente 120°. 65 • De igual forma que los radicales los carbocationes son especies deficientes en electrones por lo que puede ser estabilizado por sustituyentes alquilo, mediante efecto inductivo (I+) y mediante el traslape parcial de orbitales llenos con orbitales vacíos llamado hiperconjugación. 66 • Los carbocationes no saturados son estabilizado mediante resonancia, un enlace π adyacente a un carbocatión los orbitales del doble enlace llenos se traslapan con el orbital p vacío de carbocatión deslocalizando la carga positiva 67 • Carbanión tiene un átomo de carbono trivalente con carga negativa y 8 electrones, rico en electrones un nucleófilo fuerte y base de Lewis 68 69
