Reacciones orgánicas: adición, sustitución, eliminación y reordenamiento

Un enlace covalente es un par de electrones compartido por dos átomos. Cuando se rompe, la pregunta es dónde van esos electrones. Hay dos posibilidades: ambos quedan en un átomo, que adquiere carga negativa mientras el otro adquiere carga positiva; esto se llama heterólisis. O bien cada átomo conserva un electrón y quedan dos átomos con un electrón desapareado cada uno: es la homólisis. Un átomo con un electrón desapareado se llama radical libre.

Formar un enlace invierte este proceso: un átomo aporta dos electrones, un par solitario, para compartirlos con otro que no puede aportarlos; o bien dos radicales aportan un electrón cada uno. La mayoría de las reacciones de moléculas polares rompen y forman enlaces mediante pares completos de electrones, según el primer mecanismo. Las reacciones bajo luz o a alta temperatura suelen seguir el segundo, mediante electrones individuales.

Los químicos usan flechas curvas para indicar adónde van los electrones. Siempre parten del lugar donde está un par de electrones, un enlace o un par solitario, y apuntan hacia su destino. Si apuntan entre dos átomos, indican que se forma un enlace nuevo; si apuntan a un átomo, este recibe el par de electrones. Las flechas de media punta, con un solo gancho, indican el movimiento de un electrón y se usan en reacciones radicalarias. Las flechas nunca representan el movimiento de los átomos, sino el de los electrones; los átomos se mueven como consecuencia.

En los modelos tridimensionales de esta página, las flechas naranjas muestran las flechas curvas del siguiente paso y las flechas amarillas finas, el movimiento de electrones individuales. Los enlaces finos y tenues están formándose o rompiéndose. Un aro naranja alrededor de un átomo indica carga positiva; un aro azul, carga negativa; un punto amarillo, un electrón desapareado. Usa los botones de pasos o «Reproducir» para ver cómo se mueven los átomos siguiendo las flechas.

¿Quién aporta el par de electrones y quién lo acepta? Una especie con un par disponible para compartir, normalmente un par solitario y a menudo con carga negativa, se llama nucleófilo: significa «afín al núcleo», porque busca un centro con carga positiva. Algunos ejemplos son el ion hidróxido $\mathrm{OH^-}$, el ion bromuro $\mathrm{Br^-}$, el agua y los electrones π de un doble enlace carbono-carbono.

Una especie deficiente en electrones, con carga positiva o situada en el extremo $\delta+$ de un enlace polar, se llama electrófilo, «afín a los electrones». Ejemplos son el hidrógeno con $\delta+$ de H–Br, el carbono con $\delta+$ del enlace C–Br y los carbocationes, carbonos con carga positiva y solo tres enlaces. En las reacciones polares, las flechas curvas casi siempre van del nucleófilo al electrófilo. Un radical funciona de otra manera: tiene un electrón desapareado y reacciona haciendo que se empareje.

Dos de nuestras reacciones pasan por un carbocatión, un carbono con carga positiva y solo tres enlaces. Ha perdido su participación en un par electrónico, por lo que tiene geometría plana ($120^{\circ}$, como el carbono de un alqueno) y un orbital p vacío perpendicular al plano. Sus lóbulos superior e inferior pertenecen a un mismo orbital, no a dos. Los carbocationes son inestables y breves, pero su estabilidad varía mucho y determina qué producto se forma.

Entre los carbocationes alquilo sencillos que comparamos aquí, un centro positivo unido a más grupos de carbono suele ser más estable. Si hay dobles enlaces cercanos o grupos que atraen fuertemente electrones, hace falta otra comparación: esta regla no se aplica a todos los carbocationes. Si el carbono positivo se une a un solo carbono, es un carbocatión primario ($1^{\circ}$); con dos, secundario ($2^{\circ}$); con tres, terciario ($3^{\circ}$). La estabilidad aumenta en este orden: terciario > secundario > primario. Los enlaces C–H y C–C vecinos pueden desplazar densidad electrónica hacia el orbital vacío y dispersar la carga positiva; cuantos más grupos de carbono vecinos haya, más enlaces pueden ayudar.

Un alqueno experimenta adición porque sus electrones π están expuestos y menos fuertemente retenidos: actúa como nucleófilo. Nuestro ejemplo es la reacción del propeno con bromuro de hidrógeno para formar 2-bromopropano. Ocurre en dos pasos y pasa por un carbocatión. Observa el modelo paso a paso y compáralo con el diagrama de energía inferior: los picos son momentos de alta energía que la molécula debe superar, los estados de transición; el valle entre ellos representa un intermedio breve, aquí un carbocatión.

¿Por qué el bromo termina en el carbono central y produce 2-bromopropano, en lugar de 1-bromopropano? Se decide en el paso 1. Si el hidrógeno se añade al carbono terminal, la carga positiva queda en el central, que tiene dos carbonos vecinos: un carbocatión secundario. Si el hidrógeno se añade al central, la carga queda en el terminal, con un solo carbono vecino: un carbocatión primario, mucho menos estable y que se forma mucho más lentamente. Después, el bromuro simplemente se enlaza al carbono positivo. Esta es la regla de Markovnikov: el hidrógeno se añade al carbono del doble enlace que ya tiene más hidrógenos.

Otras adiciones de los alquenos siguen una idea similar. El $\mathrm{Br_2}$ del agua de bromo se añade al doble enlace y desaparece el color naranja: es una prueba clásica de los dobles enlaces carbono-carbono. La adición de hidrógeno con un catalizador metálico, o hidrogenación, convierte aceites vegetales líquidos en grasas sólidas. La adición de agua catalizada por un ácido se usa industrialmente para producir etanol a partir de eteno.

En una sustitución, se reemplaza un átomo o grupo unido al carbono. Nuestro ejemplo es la reacción del bromoetano con hidróxido para producir etanol y bromuro. El carbono unido al bromo tiene $\delta+$ y es el centro electrófilo; el hidróxido es el nucleófilo. El grupo que se marcha, aquí $\mathrm{Br^-}$, se llama grupo saliente.

Esta sustitución ocurre en un solo paso. El hidróxido debe acercarse desde el lado opuesto al bromo, porque el bromo y sus electrones obstaculizan el lado cercano. Mientras se forma el nuevo enlace O–C, se rompe el enlace C–Br. A mitad del proceso, el carbono presenta cinco conexiones parciales y los otros tres grupos quedan en un plano. Después, estos grupos se invierten hacia el otro lado, como un paraguas que se vuelve del revés con el viento. Los químicos llaman a este mecanismo $\mathrm{S_N2}$: sustitución (S), nucleófila (N), con dos especies reaccionantes en su único paso elemental (2). Una de ellas puede ser un ion, como el hidróxido de este ejemplo; el 2 no significa dos pasos sucesivos.

Los alcanos no tienen enlaces polares y no atraen a nucleófilos ni electrófilos. Sin embargo, bajo luz ultravioleta, el metano reacciona con cloro: un cloro sustituye a un hidrógeno. Esta sustitución ocurre mediante radicales libres y es una reacción en cadena de tres etapas.

Iniciación: la luz aporta energía suficiente para romper homolíticamente el enlace Cl–Cl, relativamente débil, y formar dos radicales cloro. Propagación: un radical cloro arranca un hidrógeno del metano, formando HCl y un radical metilo; este arranca un cloro de una molécula de $\mathrm{Cl_2}$ y forma clorometano y un nuevo radical cloro. Estos dos pasos se repiten porque cada uno produce el radical que necesita el otro. Terminación: cuando dos radicales se encuentran, se emparejan y detienen la cadena, por ejemplo, $\mathrm{Cl\cdot} + \mathrm{Cl\cdot} \to \mathrm{Cl_2}$.

Como los radicales son muy reactivos, es difícil detener la reacción tras un solo cloro: el clorometano también puede perder hidrógeno y formar diclorometano, y así sucesivamente. El benceno también experimenta sustituciones, pero lo ataca un electrófilo, no un radical. Así conserva la estructura estable de electrones compartidos del anillo bencénico.

Una eliminación retira dos átomos o grupos de dos carbonos adyacentes y deja un doble enlace entre ellos. Puede partir de exactamente los mismos reactivos que nuestra sustitución: bromoetano e hidróxido. La diferencia está en las condiciones: el etanol en lugar de agua, el calentamiento y una concentración elevada de hidróxido favorecen la eliminación.

Esta vez, el hidróxido no ataca al carbono. Actúa como base y extrae un ion hidrógeno del carbono vecino al que lleva C–Br. Ocurren simultáneamente tres cosas, representadas por tres flechas: el par solitario del hidróxido forma un enlace con el hidrógeno; los electrones del enlace C–H pasan entre los carbonos y forman el segundo enlace de $\mathrm{C{=}C}$; y los electrones de C–Br se marchan con el bromuro. Mira a lo largo del enlace entre ambos carbonos: los enlaces C–H y C–Br elegidos están en un mismo plano y orientados hacia lados opuestos, una disposición antiperiplanar. Esta orientación permite que la distribución electrónica cambiante se solape en la dirección necesaria para formar el nuevo enlace π mientras se rompen los dos anteriores. Las flechas registran cambios de enlace, no trayectorias rectas recorridas por electrones individuales. Este mecanismo se llama $\mathrm{E2}$.

Siempre que una especie que es nucleófilo y base encuentra un halogenuro de alquilo, la sustitución y la eliminación compiten. El calor, las bases fuertes y un carbono muy congestionado favorecen la eliminación; el agua, temperaturas menores y un buen nucleófilo favorecen la sustitución. Los alcoholes también pierden agua al calentarse con un ácido concentrado: es otra forma de obtener alquenos.

A veces, antes de reaccionar, un intermedio se vuelve más estable mediante el desplazamiento de átomos dentro de su propia molécula: es un reordenamiento. Un hidrógeno o metilo vecino puede migrar junto con sus electrones de enlace y formar un carbocatión más estable. Sin embargo, el reordenamiento compite con otras reacciones y requiere una trayectoria de migración posible; una mayor estabilidad del producto no garantiza todas las migraciones imaginables. Nuestro ejemplo es la adición de HBr al 3-metilbut-1-eno. La regla de Markovnikov haría esperar 2-bromo-3-metilbutano, pero el producto principal es 2-bromo-2-metilbutano.

Sigue las etapas. El paso 1 forma, como esperábamos, un carbocatión secundario en el carbono 2. Sin embargo, el carbono 3 vecino se une a tres carbonos. Su hidrógeno migra al carbono 2 junto con el par electrónico del enlace: es una migración de hidruro. El hidrógeno y su par de enlace se transfieren dentro de la estructura; no se libera primero un ion hidruro libre en la disolución. Ahora el carbono 3 tiene carga positiva: es un carbocatión terciario, más estable que el secundario. El diagrama de energía desciende a un valle más profundo. Después, el bromuro se enlaza al carbono 3. Un metilo puede migrar del mismo modo. Los reordenamientos explican por qué algunas reacciones que pasan por carbocationes dan productos con esqueletos o posiciones de sustituyentes inesperados.