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2 Velocidad relativa de reacciones competitivas

 

En el estudio de la sustitución nulceofílica ampliaremos enormemente nuestra comprensión del principio que sustenta toda la química orgánica: que el comportamiento químico depende de la estructura molecular. Antes de avanzar, recordemos cómo, en general, abordamos la cuestión del comportamiento químico.

En un reactor hay una colección de moléculas, golpeando a ciegas en todas las direcciones, chocando entre sí. Hay, en principio, varias opciones para ellas: diversas reacciones que pueden llegar a sufrir. La que sucede realmente o al menos predomina es aquélla que va más velozmente. Por tanto, el comportamiento químico se reduce a una cuestión de la velocidad relativa de reacciones que compiten.

Como vimos en nuestro estudio de la halogenación de alcanos, las velocidades relativas de las reacciones determinan:

(a)  Qué sucede: un átomo de halógeno, por ejemplo, se une a un hidrógeno del metano, extrayendo el hidrógeno; la alternativa, la unión al carbono con expulsión de un átomo de hidrógeno, es muchísimo más lenta, y de hecho no sucede.

(b) Dónde sucede: un átomo de halógeno prefiere extraer un hidrógeno del etano, antes que del metano; extrae un hidrógeno terciario con preferencia a uno primario.

(c)  Incluso, si sucede: un átomo de cloro extrae hidrógeno de un alcano, mientras que uno de yodo, no, porque se combina más rápidamente con otro átomo de yodo.

 

Una reacción química es, en consecuencia, el resultado de una competencia: es una carrera ganada por el corredor más veloz. Aprendimos, además, que el factor más importante que determina la velocidad de una reacción es la energia de activación. Lo que tiende a hacer nuestra colección de moléculas es, en general, lo que resulta más fácil para ellas: siguen el curso que demanda menos energía, o sea, sufren la reacción con la menor Eact.

Y, finalmente, para ayudarnos a comprender la Eact a interpretarla y, a veces, incluso a predecirla disponemos de nuestra importancia herramienta intelectual: el estado de transición. Cuanto más estable sea el estado de transición en relación con el reactivo, menor será la Eact y más rápida la reacción. El concepto del estado de transición es nuestra unión mental entre la estructura molecular y el comportamiento químico.

 

Lo expuesto anteriormente se basa en la premisa de que los productos que obtengamos de una reacción química, y sus proporciones relativas, reflejan la velocidad relativa a la que se forman inicialmente; es  decir, una vez formado, un producto particular se mantiene sin cambio hasta que se completa la reacción. Para la mayoría de las reacciones que estudiamos, esta premisa es correcta; en las condiciones utilizadas, la mayoría de las reacciones orgánicas son esencialmente irreversibles, es decir, son  reacciones en un solo sentido.

 

Pero no siempre éste es el caso. Algunas reacciones son reversibles, y existe un equilibrio entre los diversos productos; lo que obtenemos así, refleja el producto que resulta favorecido por el equilibrio, no el que inicialmente se forma más rápido. Veremos más adelante ejemplos de este tipo de comportamiento. En consecuencia, para una reacción orgánica, la irreversibilidad no es algo que podamos dar simplemente por supuesto; ha de ser comprobada experimentalmente, y sólo una vez que haya sido comprobada estamos justificados en interpretar la composición de los productos basándonos en la velocidad relativa.

 

En nuestro estudio de la sustitución nucleofílica tendremos mucho que ver con la competencia entre posibles  vías de reacción: en este capítulo, la competencia entre diversos mecanismos para la propia sustitución; en otros, la competencia entre sustitución nucleofílica y una reacción de un tipo totalmente diferente, la eliminación. Nos ocuparemos de la velocidad relativa a la que tienen lugar estas reacciones competitivas y de las clases de estados de transición por los que pasan. Lo que es más importante, estudiaremos los factores que determinan la estabilidad de estos estados de transición, factores con los que operaremos en el resto de nuestro estudio de la química orgánica.