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Factores que afectan la reactividad y propiedades físicas de los compuestos orgánicos 

Existen varios factores que afectan la velocidad de una reacción química: la concentración de los reactivos, la temperatura, la existencia de catalizadores y la superficie de contactos tanto de los reactivos como del catalizador. Los catalizadores pueden aumentar o disminuir la velocidad de reacción.

Temperatura

Por norma general, la velocidad de reacción aumenta con la temperatura porque al aumentarla incrementa la energía cinética de las moléculas. Con mayor energía cinética, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia y con más energía. El comportamiento de la constante de velocidad o coeficiente cinético frente a la temperatura 

 esta ecuación linealizada es muy útil y puede ser descrito a través de la ecuación de Arrhenius:

donde: 

K es la constante de la rapidez. 

A es el factor de frecuencia. 

E es la energía de activación necesaria. 

T es la temperatura.

Estado físico de los reactivos

Si en una reacción interactúan reactivos en distintas fases, su área de contacto es menor y su rapidez también es menor. En cambio, si el área de contacto es mayor, la rapidez es mayor.

Al encontrarse los reactivos en distintas fases aparecen nuevos factores cinéticos a analizar. La parte de la reacción química, es decir, hay que estudiar la rapidez de transporte, pues en la mayoría de los casos estas son mucho más lentas que la rapidez intrínseca de la reacción y son las etapas de transporte las que determinan la cinética del proceso.

Presencia de un catalizador

Los catalizadores aumentan o disminuyen la rapidez de una reacción sin transformarse. Suelen empeorar la selectividad del proceso, aumentando la obtención de productos no deseados. La forma de acción de los mismos es modificando el mecanismo de reacción, usando pasos elementales con mayor o menor energía de activación.

Existen catalizadores homogéneos, que se encuentran en la misma fase que los reactivos (por ejemplo, el hierro III en la descomposición del peróxido de hidrógeno) y catalizadores heterogéneos, que se encuentran en distinta fase (por ejemplo la malla de platino en las reacciones de hidrogenación).

Concentración de los reactivos

La mayoría de las reacciones son más rápidas en presencia de un catalizador y cuanto más concentrados se encuentren los reactivos, habrá mayor frecuencia de colisión.

Si los reactivos están en disolución o son gases encerrados en un recipiente, cuanto mayor sea su concentración, más alta será la velocidad de la reacción en la que participen, ya que, al haber más partículas en el mismo espacio, aumentará el número de colisiones.

El ataque que los ácidos realizan sobre algunos metales con desprendimiento de hidrógeno es un buen ejemplo, ya que este ataque es mucho más violento cuanto mayor es la concentración del ácido.

La obtención de una ecuación que pueda emplearse para predecir la dependencia de la rapidez de reacción con las concentraciones de reactivos es uno de los objetivos básicos de la cinética química. Esa ecuación, que es determinada de forma empírica, recibe el nombre de ecuación de velocidad.

Presión

En una reacción química, si existe una mayor presión en el sistema, ésta va a variar la energía cinética de las moléculas. Entonces, si existe una mayor presión, la energía cinética de las partículas va a aumentar y la reacción se va a volver más rápida; al igual que en los gases, que al aumentar su presión aumenta también el movimiento de sus partículas y, por tanto, la rapidez de reacción es mayor. Esto es válido solamente en aquellas reacciones químicas cuyos reactantes sean afectados de manera importante por la presión, como los gases. En reacciones cuyos reactantes sean sólidos o líquidos, los efectos de la presión son ínfimos.

Luz

La luz es una forma de energía. Algunas reacciones, al ser iluminadas, se producen más rápidamente, como ocurre en el caso de la reacción entre el cloro y el hidrógeno. En general, la luz arranca electrones de algunos átomos formando iones, con lo que aumenta considerablemente la rapidez de reacción.

Tipos de ruptura de enlaces (homolítica y
heterolítica)

Como ciencia, la química debe su existencia, por supuesto, al cambio químico: la conversión de una sustancia en otra. Moléculas antiguas son transformadas en otras nuevas, lo cual significa que deben romperse enlaces antiguos para generar otros nuevos; en su mayoría enlaces covalentes, en lo que respecta a la química orgánica.

Hemos visto que la ruptura  de un enlace covalente puede ocurrir de dos maneras fundamentalmente diferentes, dependiendo de lo que suceda con los dos electrones que forman el par enlazante: en la homólisis, va un electrón a cada fragmento; en la heterólisis, van ambos electrones al mismo fragmento. Los sustantivos (homólisis) y heterólisis sólo se utilizan en su sentido literal, para indicar la ruptura de enlaces. No obstante, los adjetivos (homolítico) y (heterolítico) a falta de términos más adecuados se emplean en un sentido más general, para incluir también el proceso de la construcción de enlaces, pudiéndose definir así dos clases muy amplias de reacciones orgánicas.

las reacciones homolíticas son aquellas en las que se quitan o se proporcionan los electrones del par enlazante individualmente, tanto si se rompen enlaces,

O si se rompen y forman simultáneamente,

Cada uno de los átomos que se separan lleva uno de los electrones  enlazantes, y cada uno de los átomos que se juntan, proporciona uno de los electrones de enlace.

Reaccciones heterolíticas son aquellas  en las cuales los electrones enlazantes se quitan o se proporcionan en pares. Tanto si se rompen enlaces.

O si se rompen y forman simultáneamente,

Uno de los átomos que se separa lleva ambos electrones de enlace, y uno de los átomos que se une proporciona el par.

.La química homolítica es, por tanto, la química del electrón impar, mientras que la química heterolítica es la del par de electrones. Mientras la primera se ocupa de partículas neutras, conocidas como radicales libes, la segunda tiene que ver con cargas positivas y negativas, es decir, con cationes y aniones. Las reacciones homolíticas suelen producirse en la fase gaseosa, o en disolventes cuya función  principal se reduce a proporcionar un medio inerte que permita el movimiento libre de moléculas reaccionantes. Las reacciones heterolíticas  se realizan generalmente en solución, y los disolventes tienen, como veremos, efectos muy poderosos; la magnitud de su poder está empezando a conocerse ahora.

Hasta aquí, la reacción que más nos ha venido ocupando la sustitución de radicales, ilustrada por la halogenación de los alcanos forma parte de la química homolítica.

Tipos de iones orgánicos (carbocatión y carbanión)

CARBOCATIONES

Un carbocatión es un átomo de carbono cargado positivamente. El átomo de carbono cargado en un carbocatión es un "sexteto", esto es, tiene sólo seis electrones en su capa de valencia, en vez de los ocho electrones de valencia que aseguran la estabilidad máxima de la regla del octeto. De ahí que los carbocationes sean frecuentemente muy reactivos, pues buscan completar el octeto de electrones de valencia, así como volver a conseguir una carga eléctrica neutra. Se podría asumir que un carbocatión tiene hibridación sp3 con un orbital sp3 dando la carga positiva. Sin embargo, la geometría y reactividad del carbocatión es más consecuente con una hibridación sp2.

ESTABILIDAD DE LOS CARBOCATIONES

Experimentalmente sabemos que el orden de estabilidad de los carbocationes es el siguiente:

Los carbocationes más estables son aquellos que presentan resonancia, en particular los de tipo bencilo y alilo. Observe que el carbono con carga positiva es vecino de un doble enlace con el que puede entrar en resonancia. De esa manera la carga positiva se reparte en diversos lugares de la molécula.

En la estabilidad de los carbocationes terciarios, secundarios y primarios no interviene el efecto resonante, en su lugar, el orden de estabilidad se explica por dos efectos electrónicos:

- El efecto inductivo (+I) de los grupos alquilo. Cuantos más grupos alquilo cedan carga al átomo de carbono deficiente del carbocatión, más estable será este.

 La hiperconjugación. La cesión de carga entre enlaces sigmas paralelos y el orbital p vacío del carbocatión. En el caso del carbocatión terciario el solapamiento del orbital p vacío se puede realizar con tres enlaces sigma C-H de cada uno de los grupos metilo que lo rodean. En los secundarios con dos, en los primarios con uno y en el metilo con ninguno.

TRANSPOSICIÓN DE CARBOCATIONES

Una característica importante de los carbocationes es su tendencia a sufrir transposición, es decir, a la migración de un átomo de hidrógeno o de un grupo alquilo con su par de electrones desde un carbono vecino hacia el que tiene la carga positiva

La energía necesaria para que se produzca la transposición es menor que la ganancia de estabilidad que sufre la especie química. Por ello, si se dan las circunstancias para ello, el carbocatión se transformará de primario en secundario o de secundario en terciario. 

CARBANIONES

Un carbanión es una especie química que tiene un carbono con una carga negativa. Está enlazado a tres átomos vecinos y, además, porta un par de electrones no compartido. Ese carbono está rodeado de ocho electrones (si cumple la regla del octeto). La hibridación del átomo de carbono central es sp3, es decir, tiene geometría electrónica tetraédrica

ESTABILIDAD DE LOS CARBANIONES

Experimentalmente sabemos que el orden de estabilidad de los carbaniones es el siguiente:

Los carbaniones más estables son aquellos que presentan resonancia, en particular los de tipo bencilo y alilo. El carbono con carga negativa es vecino de un doble enlace con el que puede entrar en resonancia. De esa manera la carga negativa se reparte en diversos lugares de la molécula.

En cuanto a los carbaniones de tipo aquilo, el menos estable es el terciario. En este caso el efecto inductivo (+I) de cesión de carga inestabilidad la carga negativa central. Por el contrario, el carbanión metilo es el más estable al estar libre de ese efecto inductivo.

Un aspecto a tener en cuenta en la estabilidad de los carbaniones es la hibridación del carbono que porta la carga negativa. La estabilidad aumenta a medida que aumenta el carácter s del orbital híbrido ya que los electrones se encuentran más cercanos al núcleo.

Tipos de reactivos orgánicos (nucleofilo, electrófilo y
radicales libres)

Nucleofilo 

En química un nucleófilo es una especie que reacciona cediendo un par de electrones libres a otra especie (el electrófilo), combinándose y enlazándose covalentemente con ella. Un nucleófilo, concepto cinético, es también por definición una base de Lewis, concepto termodinámico.

Amigo de los núcleos. Se refiere a una zona de una molécula con elevada densidad electrónica. Se parece a una base.

Se pueden entender las reacciones entre las moléculas en función de la densidad electrónica que poseen.

La densidad electrónica, al igual que la presión en la atmósfera (borrascas -baja presión- y anticiclones -alta presión-), no se reparte por igual en las moléculas.

Los átomos electronegativos "concentran" densidad electrónica a su alrededor y "desnudan" de densidad electrónica a los átomos próximos.

En el cloruro de metilo (H3CCl) el cloro es el más electronegativo y es el que concentra la carga negativa.

La parte negativa de una molécula tenderá a reaccionar con la parte positiva de otra y viceversa.

Se puede calcular la densidad electrónica con un programa especial. El color rojo representa densidad electrónica elevada.

Electrófilo 

Un electrófilo es un reactivo químico atraído hacia zonas ricas en electrones que participa en una reacción química aceptando un par de electrones formando un enlace con un nucleófilo. Ya que los electrófilos aceptan electrones, ellos son ácidos de Lewis (ver teorías de reacciones ácido-base).

Especie "amiga de los electrones", ávida de las zonas moleculares con exceso de electrones, es decir, con densidad de carga negativa. Lógicamente un electrófilo poseerá un defecto de densidad electrónica.

Los electrófilos atacan la zona de mayor densidad electrónica del nucleófilo. Los electrófilos encontrados frecuentemente en los procesos de síntesis orgánica suelen ser cationes (ej: H+ y NO+), moléculas neutras polarizadas (ej: cloruro de hidrógeno, haloalcanos, ácidos halógenos y grupos carbonilos), moléculas neutras polarizables (ej: Cl2 y Br2), agentes oxidantes (ej: peroxiácidos orgánicos), especies químicas que no satisfacen la regla del octeto (ej: carbocationes y radicales libres), y algunos ácidos de Lewis.

Radicales libres 

Tipo de molécula inestable que se elabora durante el metabolismo normal de las células (cambios químicos que ocurren en una célula). Los radicales libres se pueden acumular en las células y dañar otras moléculas, como el ADN, los lípidos y las proteínas.

Los radicales libres son grupos con un electrón impar, sin carga eléctrica asociada. En el caso de radicales

carbonados tiene tres ligandos.

1. Formación de radicales libres

La formación de radicales puede tener lugar por:

a) Homolisis térmica o fotolisis: mediante suministro de energía que produce la homolisis de enlaces

lábiles

b) Colisión con otros radicales

c) Procesos redox

La trasferencia de electrones a (o desde) átomos e iones metálicos es un método común para la iniciación de

reacciones radicalarias.

Los metales fuertemente electropositivos, como el sodio metálico, también pueden actuar como donadores de

electrones, como ocurre por ejemplo en la condensación aciloínica

También la oxidación-reducción electroquímica está cobrando importancia en los procesos orgánicos.

Introducción a tipos de reacciones

Reacción de síntesis

En este tipo de reacción dos o más compuestos reaccionan entre sí para formar un nuevo producto.

Ejemplo: Reacción para formar Amoniaco (NH3).

Reacción de descomposición

En este tipo de reacción una sustancia o compuesto se descomponen para formar dos o más productos.

Ejemplo: Descomposición del clorato de potasio en cloruro de potasio y oxígeno.

Reacción de precipitación

En este tipo de reacción que ocurre en un medio acuoso, en la que uno de los productos es una sustancia poco soluble y se deposita en forma sólida (precipita).

Ejemplo: Reacción entre el yoduro de potasio y el nitrato de plomo (II)

Reacción de combustión

En este tipo de reacción los reactivos son un combustible y el oxígeno del aire, y los productos generados son dióxidos de carbono y agua.

Ejemplo: La combustión del Metano.

Reacción de sustitución o desplazamiento

En este tipo de reacción un elemento desplaza a otro dentro de un compuesto químico.

Ejemplo: La reacción entre el Zinc y Sulfato de Cobre.

Reacción de doble sustitución o doble desplazamiento

En este tipo de reacción existe un intercambio de elementos de dos o más compuestos.

Ejemplo: La reacción en que se forma cloruro de sodio.