Reacciones e Isomería en Química Orgánica: Conceptos Fundamentales

Tipos de reacciones en la química orgánica

Reacciones de sustitución

En una reacción de sustitución, un átomo o un grupo de átomos de la molécula del sustrato es reemplazado por otro átomo o grupo atómico suministrado por el reactivo: R-X + Y → R-Y + X. Según el reactivo atacante, pueden ser de tres tipos:

• Sustitución por radicales libres: El reactivo atacante es un radical libre.
• Sustitución nucleófila: El reactivo atacante es una especie nucleófila que ataca las zonas del sustrato con deficiencia electrónica.
• Sustitución electrófila: El reactivo es un electrófilo que busca zonas con alta densidad de electrones (e^-).

Reacciones de adición

En las reacciones de adición, la molécula del sustrato gana dos átomos o grupos atómicos procedentes del reactivo.

Generalmente, implican la ruptura de enlaces pi (π), por lo que son comunes en compuestos con insaturaciones. Según el reactivo, se dividen en:

• Adición nucleófila
• Adición electrófila

Reacciones de eliminación

En una reacción de eliminación, la molécula del sustrato pierde dos átomos o grupos, lo que resulta en la formación de un nuevo enlace (generalmente un enlace múltiple) o el cierre de un ciclo. Es el proceso inverso a la adición.

Reacciones de oxidación-reducción (Redox)

• Combustión: Son procesos de oxidación muy exotérmicos, con un gran desprendimiento de energía. Implican la ruptura completa de la cadena carbonada para formar dióxido de carbono y agua: CnH2n+2 + O2 → CO2 + H2O.
• Oxidación sin ruptura de cadena: Los compuestos orgánicos pueden sufrir oxidaciones más suaves que no rompen el esqueleto carbonado.

Tipos de isómeros estructurales

Isómeros de posición

Presentan el mismo esqueleto carbonado y los mismos grupos funcionales, pero cambia la posición de estos en la cadena principal. Esta diferencia provoca variaciones significativas en sus propiedades físicas y químicas.

Isómeros de esqueleto (o de cadena)

Presentan diferencias estructurales en la ordenación del esqueleto carbonado. Muestran pequeñas diferencias en sus propiedades físicas, pero pueden tener diferencias notables en sus propiedades químicas.

Isómeros de función

Tienen la misma fórmula molecular pero presentan grupos funcionales distintos. Esto conlleva diferencias muy importantes tanto en sus propiedades físicas como químicas.

Conceptos Clave y Aclaraciones

Estabilidad de las conformaciones del ciclohexano

Afirmación: En el ciclohexano, la conformación de bote es más estable que la de silla.

Corrección (Falso): La conformación de silla es más estable. Esto se debe a que está prácticamente libre de tensión angular y torsional, encontrándose en un mínimo energético local.

Inversión del anillo en el ciclohexano

Afirmación: En un ciclohexano no sustituido, las conformaciones de silla y su invertida son igualmente probables.

Corrección (Verdadero): Al no haber sustituyentes que generen impedimento estérico, la inversión del anillo ocurre constantemente y ambas conformaciones de silla son energéticamente equivalentes.

Ciclohexano sustituido

Afirmación: En un ciclohexano con un sustituyente, se prefiere la conformación que coloca a dicho sustituyente en una posición ecuatorial.

Corrección (Verdadero): La posición ecuatorial ofrece más espacio y minimiza las interacciones estéricas (interacciones 1,3-diaxiales) que ocurrirían si el sustituyente estuviera en posición axial.

Estabilidad de cicloalcanos

Afirmación: El ciclopropano es más estable que el ciclopentano.

Corrección (Falso): El ciclopropano es mucho menos estable debido a la enorme tensión angular (ángulos de enlace de 60° en lugar de los 109.5° ideales). Su calor de formación es positivo, indicando inestabilidad. El ciclopentano, aunque tiene algo de tensión, es significativamente más estable.

Alcance del efecto inductivo

Afirmación: El efecto inductivo se transmite hasta dos enlaces de distancia.

Corrección (Verdadero): El efecto inductivo es la polarización de un enlace causada por un átomo o grupo electronegativo. Este efecto se transmite a lo largo de la cadena de enlaces sigma, pero su intensidad disminuye rápidamente con la distancia, siendo significativo principalmente hasta el segundo o tercer carbono.

Ruptura de enlaces

Afirmación: La ruptura heterolítica es más probable si el enlace se da entre átomos de diferente electronegatividad.

Corrección (Verdadero): En una ruptura heterolítica, el par de electrones del enlace se lo queda uno de los átomos. Esto es más favorable cuando el enlace es polar, ya que el átomo más electronegativo (EN) puede estabilizar mejor la carga negativa (anión), mientras que el menos electronegativo queda con carga positiva (catión).

Estructura del benceno

Afirmación: El benceno es plano debido a la hibridación sp de sus carbonos.

Corrección (Falso): El benceno es una molécula plana porque todos sus átomos de carbono tienen hibridación sp², lo que impone una geometría trigonal plana alrededor de cada carbono con ángulos de 120°.

Efectos electrónicos (inductivo y resonante)

Afirmación: Un mismo grupo funcional puede producir un efecto inductivo en una molécula y un efecto resonante en otra.

Corrección (Verdadero): Un grupo funcional ejerce su efecto inductivo (transmisión de carga a través de enlaces sigma) en cualquier molécula a la que se una. Sin embargo, solo podrá ejercer un efecto resonante (o mesomérico) si está unido a un sistema de electrones pi (π) conjugados, donde puede deslocalizar electrones.