Conceptos Fundamentales de Química: Enlaces, Polaridad y Mecanismos de Reacción

Propiedades Moleculares y Enlaces Químicos

Polaridad Molecular

Polaridad: Es la presencia de dipolos en la molécula, generados por la diferencia de electronegatividad entre los átomos enlazados.

Electronegatividad: Capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí en un enlace químico. Una alta electronegatividad obliga a deformar la nube electrónica de los átomos cercanos, polarizándolos (generando cargas parciales positivas y negativas).

Momento dipolar (µ): Medida cuantitativa de la polaridad de un enlace o de una molécula. Se representa como un vector que apunta desde la carga parcial positiva hacia la carga parcial negativa. Si el momento dipolar neto de una molécula es diferente de cero, la molécula es polar; si es igual a cero, es apolar.

Tipos de Enlaces Químicos

Enlace iónico: Unión de átomos resultante de la atracción electrostática entre iones de distinto signo, formados por la transferencia completa de uno o más electrones de un átomo a otro.

Enlace covalente: Unión de átomos donde se comparten uno o más pares de electrones (e^-). Las moléculas formadas suelen tener carga neta neutral.

Interacciones Intermoleculares y Propiedades Físicas

Puentes de Hidrógeno

Puentes de hidrógeno: Interacción electrostática intermolecular o intramolecular relativamente fuerte (aunque más débil que los enlaces iónicos o covalentes) que se produce entre un átomo altamente electronegativo (como O, N, F) y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo. El hidrógeno actúa como donante del puente y el átomo electronegativo con un par de electrones libres actúa como aceptor.

• El átomo electronegativo es aceptor cuando recibe el hidrógeno para formar el puente.
• Pueden ser:
  • Intramoleculares: si se producen dentro de la misma molécula.
  • Intermoleculares: si se producen entre moléculas distintas.

Punto de Ebullición

Punto de ebullición: Es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica circundante. Está influenciado por la fuerza de las interacciones intermoleculares (ej. puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals).

Solvatación

Solvatar (o Solvatación): Proceso de interacción entre las moléculas de un solvente y las partículas de un soluto (iones o moléculas), donde las moléculas del solvente rodean a las partículas del soluto. Si el solvente es agua, se denomina hidratación.

Factores que Afectan la Estructura y Reactividad

Efecto Inductivo

Efecto inductivo: Es la polarización de un enlace sigma (σ) debido a la diferencia de electronegatividad entre los átomos que lo forman. Este efecto se transmite a través de una cadena carbonada por la acción de un sustituyente y disminuye con la distancia. Estos efectos tienen incidencia en la estabilidad de intermediarios de reacción y en la acidez o basicidad del compuesto.

• La presencia de grupos atractores de electrones (efecto -I) aumenta la acidez de un compuesto (ej. ácidos carboxílicos) al estabilizar la base conjugada.
• La presencia de grupos donadores de electrones (efecto +I) disminuye la acidez.

Acidez

Acidez: Facilidad de un compuesto para donar protones (iones H⁺). Se cuantifica mediante la constante de acidez (K_a) o su pK_a.

• Mientras más cerca esté un grupo atractor de electrones del centro ácido, mayor será la acidez.

Resonancia o Mesomería

Resonancia o Mesomería: Fenómeno en el cual los electrones pi (π) o pares de electrones no enlazantes están deslocalizados sobre varios átomos en una molécula o ion. Esto se representa mediante varias estructuras contribuyentes (estructuras resonantes o formas canónicas) que, en conjunto, describen la estructura real del híbrido de resonancia. La deslocalización electrónica confiere mayor estabilidad a la molécula o ion.

Ruptura de Enlaces Químicos

Ruptura Homolítica

Ruptura homolítica: Rompimiento simétrico de un enlace covalente, donde cada fragmento retiene uno de los electrones del par compartido. Este proceso genera especies con un electrón desapareado, conocidas como radicales libres. Se puede representar mediante diagramas de Lewis utilizando flechas de media punta.

Ruptura Heterolítica

Ruptura heterolítica: Implica un rompimiento asimétrico de un enlace covalente, donde uno de los fragmentos retiene ambos electrones del par compartido. Este proceso genera especies con cargas eléctricas netas, conocidas como iones (un catión y un anión). Estas rupturas son comunes en reacciones polares.

Reactivos Fundamentales en Química Orgánica

Electrófilos

Electrófilos (E⁺): Especies químicas que presentan deficiencia de electrones (e^-) o una carga positiva parcial/total, por lo que son capaces de aceptar un par de electrones para formar un nuevo enlace. En consecuencia, se conocen como ácidos de Lewis.

Nucleófilos

Nucleófilos (Nu: o Nu^-): Especies químicas ricas en electrones (e^-), con al menos un par de electrones no compartidos o una carga negativa, capaces de donar un par de electrones para formar un nuevo enlace. Por ello, se conocen como bases de Lewis.

Principales Tipos de Reacciones Orgánicas

Reacciones de Adición Electrofílica

Reacciones de adición electrofílica: Son reacciones características de compuestos insaturados (alquenos y alquinos, con dobles o triples enlaces C-C) en las que un electrófilo se adiciona al sustrato. Durante la reacción, un enlace pi (π) se rompe y se forman dos nuevos enlaces sigma (σ). El electrófilo es el reactivo que inicia el ataque a la zona de alta densidad electrónica del enlace múltiple.

Reacciones de Sustitución Nucleofílica

Reacciones de sustitución nucleofílica: Son reacciones características de compuestos saturados (generalmente halogenuros de alquilo, alcoholes protonados, éteres protonados, o sustratos con un buen grupo saliente) donde un nucleófilo reemplaza a un grupo saliente en el átomo de carbono del sustrato. El sustrato presenta un átomo o grupo (grupo saliente, como Cl, Br, I, H₂O, TsO^-) que puede ser desplazado. Esta reacción de desplazamiento puede ser:

• Sustitución nucleofílica unimolecular (S_N1):
  • Típicas de sustratos con carbonos terciarios (o secundarios que puedan formar carbocationes estables).
  • Se producen favorablemente en solventes polares próticos (ej. H₂O, alcoholes).
  • Ocurren en dos pasos principales:
    1. Formación de un carbocatión (etapa lenta, determinante de la velocidad, por disociación del grupo saliente).
    2. Ataque nucleofílico al carbocatión (etapa rápida).
  • La velocidad de reacción depende principalmente de la concentración del sustrato: Velocidad = k[Sustrato]. Es menos sensible a la concentración o fuerza del nucleófilo, especialmente si este es débil.
• Sustitución nucleofílica bimolecular (S_N2):
  • Favorecidas por altas concentraciones de nucleófilos fuertes.
  • Se llevan a cabo preferentemente en solventes polares apróticos (ej. acetona, DMSO, DMF), aunque también pueden ocurrir en otros solventes.
  • Ocurren en un solo paso concertado: el ataque del nucleófilo y la salida del grupo saliente suceden simultáneamente. El nucleófilo ataca por el lado opuesto al grupo saliente (ataque dorsal), provocando una inversión de la configuración en el carbono (inversión de Walden).
  • Son típicas de sustratos con carbonos primarios y metílicos (menos impedidos estéricamente). Los carbonos secundarios pueden reaccionar por S_N2 con nucleófilos fuertes y no impedidos, o competir con S_N1.
  • La velocidad de reacción depende de la concentración tanto del sustrato como del nucleófilo: Velocidad = k[Sustrato][Nucleófilo].

Reacciones de Eliminación

Reacciones de eliminación: Son reacciones orgánicas en las que dos sustituyentes son eliminados de una molécula, generalmente de átomos de carbono adyacentes (eliminación 1,2 o β-eliminación). Este proceso lleva a la formación de un enlace múltiple (doble o triple enlace, es decir, un enlace pi, π) entre dichos átomos y la ruptura de dos enlaces sigma (σ).