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Por qué importan los mecanismos

Una ecuación de reacción dice qué entra y qué sale. Un mecanismo dice cómo: qué enlaces se rompen, cuáles se forman, en qué orden y a través de qué intermedios. Eso es lo que permite predecir productos nunca vistos, explicar la estereoquímica y elegir condiciones.

Casi toda reacción orgánica polar es el mismo suceso repetido: un átomo rico en electrones comparte un par con un átomo pobre en electrones. Aprende a reconocer a los dos protagonistas y podrás leer la mayoría de mecanismos.

Nucleófilos, electrófilos y flechas curvas

Un nucleófilo es rico en electrones y cede un par: un par libre en oxígeno o nitrógeno, una carga negativa o un enlace π. Hidróxido, cianuro, aminas, enolatos y alquenos son típicos. Un electrófilo es pobre en electrones y acepta el par: un carbono carbonílico, un carbocatión, el carbono de un haluro de alquilo o un protón.

Las flechas curvas muestran el movimiento de un par de electrones. Cada flecha empieza en los electrones, un par libre o un enlace, y termina donde van, un átomo o el espacio entre dos átomos donde se forma un enlace. Las flechas nunca parten de un núcleo ni de una carga positiva. Cuenta las cargas tras cada paso: la carga total debe ser la misma en ambos lados.

Sustitución: SN2 y SN1

En una reacción SN2 el nucleófilo ataca al carbono por el lado opuesto al grupo saliente, y el enlace antiguo se rompe mientras se forma el nuevo, en una sola etapa. La velocidad depende de ambos, velocidad = k[sustrato][nucleófilo], y la configuración del carbono se invierte. El impedimento estérico la frena mucho: los sustratos metílicos y primarios reaccionan más rápido, los terciarios prácticamente nada. Los disolventes polares apróticos como DMSO o acetona ayudan, porque no rodean al nucleófilo.

En una reacción SN1 primero sale el grupo saliente y se forma un carbocatión plano, que el nucleófilo ataca luego por cualquiera de sus caras. La velocidad depende solo del sustrato, velocidad = k[sustrato], y un estereocentro suele acabar en gran parte racemizado. Los sustratos terciarios, alílicos y bencílicos, que dan carbocationes estabilizados, siguen esta vía, sobre todo en disolventes polares próticos como agua o alcoholes. Los carbocationes pueden además reordenarse por desplazamientos de hidruro o alquilo hacia un catión más estable antes de que llegue el nucleófilo.

En ambos casos el grupo saliente importa: los buenos grupos salientes son bases débiles. Yoduro, bromuro, tosilato y agua (de un alcohol protonado) salen bien; hidróxido y alcóxido no, por eso los alcoholes se activan antes de la sustitución.

Eliminación: E2 y E1

En lugar de atacar al carbono, una base puede arrancar un protón vecino al carbono que lleva el grupo saliente y formar un doble enlace C=C. En la E2 esto ocurre en una etapa, y el protón y el grupo saliente deben estar antiperiplanares. La favorecen las bases fuertes, y las voluminosas como el terc-butóxido de potasio favorecen la eliminación frente a la sustitución y a menudo dan el alqueno menos sustituido.

La E1 pasa por el mismo carbocatión que la SN1 y compite con ella; el calor favorece la eliminación. Como regla general, la E1 y la mayoría de E2 dan el alqueno más sustituido y más estable (regla de Zaitsev).

Química del carbonilo

El carbono carbonílico es el electrófilo más importante de la química orgánica. Los nucleófilos se adicionan a él para dar un intermedio tetraédrico. En aldehídos y cetonas, que no tienen grupo saliente, el intermedio suele protonarse a alcohol; así actúan los reactivos de Grignard y las reducciones con hidruros.

Los derivados de ácidos carboxílicos llevan un grupo saliente, así que el intermedio tetraédrico colapsa y lo expulsa: sustitución nucleófila de acilo. La reactividad sigue la capacidad del grupo saliente: cloruros de ácido > anhídridos > ésteres > amidas. Ese orden indica qué conversiones son cuesta abajo, como de cloruro de ácido a éster, y cuáles necesitan condiciones enérgicas, como hidrolizar una amida.

El carbono contiguo a un carbonilo es débilmente ácido, y su base conjugada, un enolato, es un nucleófilo de carbono. Cuando un enolato ataca a otro carbonilo se obtiene la reacción aldólica, una de las vías principales para formar enlaces C–C.

Sustitución aromática

Los anillos de benceno también son nucleófilos, pero reacios, porque reaccionar les cuesta su estabilidad aromática. En la sustitución electrófila aromática el anillo ataca a un electrófilo fuerte como el ion nitronio, formando un intermedio catiónico que pierde rápido un protón para recuperar la aromaticidad. Los sustituyentes ya presentes deciden dónde va el siguiente: los grupos dadores como –OH o –CH3 orientan a orto y para y aceleran la reacción; la mayoría de grupos atractores como –NO2 orientan a meta y la frenan.

Cómo abordar un mecanismo nuevo

Dibuja todos los pares libres y las cargas. Busca el mejor nucleófilo y el mejor electrófilo en las condiciones dadas. Dibuja un paso cada vez con flechas curvas y comprueba cargas y átomos tras cada uno. Pregúntate si un intermedio sería estable; si un paso crea un carbocatión primario, busca otro camino. Por último, compara el producto con las condiciones: ácido, base, calor y disolvente dejan huella en el mecanismo.