En la enseñanza de la química siempre se ha tenido el tema de las reacciones como uno de los más importantes por sus múltiples aplicaciones, y al mismo tiempo, como uno de los más complejos para aprender e inclusive para enseñar. Siempre se ha intentado desarrollar la enseñanza y aprendizaje del mismo desde la realización práctica, llevando a los estudiantes a la comprobación experimental de los diferentes tipos de reacciones que se presentan a nivel de los compuestos inorgánicos y orgánicos sin detenerse en el análisis cualitativo del proceso de la reacción como tal, esto es, no se analiza el mecanismo y mucho menos se busca una explicación acerca de la dirección en la cual se llevan a cabo las reacciones en esos momentos experimentales.
El desligamiento de la teoría con la parte experimental es lo que en ocasiones no permite a los estudiantes de cursos básicos realizar un buen análisis de las observaciones realizadas y así presentar unas conclusiones lo suficientemente convincentes desde los argumentos teóricos. Para que los estudiantes, y en ocasiones los docentes, puedan realizar un acertado proceso de aprendizaje de este tema es necesario tener claridad sobre algunos conceptos básicos (subsumidores, como los llamaría Ausubel), que lleven al final al aprendizaje significativo de los mismos, como por ejemplo las interacciones intra e intermoleculares, desde una perspectiva que le permita visualizar no sólo las clases de enlace que existen sino también las distintas teorías que explican la forma en que se organizan los átomos espacialmente para poder conformar un compuesto.
las interacciones electrostáticas que se presentan entre los electrones de los mismos átomos enlazantes y que de algún modo llevan o no a la realización misma del enlace, sin olvidar las interacciones entre moléculas que determinan no solo propiedades físicas de las sustancias, sino también, la forma en que las moléculas de los reactivos se acercan lo suficiente para interactuar y transformarse en nuevas sustancias, los productos. Así mismo, es conveniente tener claridad sobre las propiedades periódicas de los elementos que participan en el enlace, bien podrían ser la electronegatividad, la afinidad electrónica y el radio atómico, ya que de ellas se desprende la posibilidad de convertirse en un átomo o grupo de átomos con buena o excelente capacidad para entrar o salir de una molécula (reaccionar).
Desde las distintas teorías que explican la formación de un enlace químico, es fundamental en el proceso de enseñanza previo a la experimentación, abordar lo concerniente a la polarizabilidad que tienen las moléculas dependiendo de su geometría, la formación de las etapas intermedias en el establecimiento de un nuevo enlace, la orientación de las cargas y electrones que no participan en la formación de los enlaces, entre otros. No es conveniente introducir al estudiantado en conceptos relacionados con el enfoque termodinámico concreto de las reacciones desde un inicio, sino que se lleve poco a poco a la introducción de dichos significados para que se vayan estructurando desde lo simple a lo complejo y al final se alcance un aprendizaje significativo y no repetitivo de lo que involucra una reacción química.
Los avances tecnológicos permiten en diversos ambientes simular procesos que en la práctica experimental serían costosos en recursos y tiempo, por lo que es válido emplear aquellos programas que facilitan el aprendizaje y enseñanza de la química en particular. En nuestro caso, el programa empleado permite la simulación de las reacciones químicas y su posterior análisis por medio de la comparación de los resultados obtenidos con los datos bibliográficos y así confirmar si es o no posible que se lleve a cabo la reacción propuesta. Partiendo de la simulación o modelamiento computacional y la aprehensión que se haya hecho de los conceptos previos, es posible que los estudiantes lleguen a visualizar las rupturas y posteriores restablecimientos de los enlaces para que se alcancen a formar los compuestos esperados en la reacción propuesta inicialmente.
EXPERIMENTACIÓN
En la práctica experimental no es posible visualizar la manera como se van reorganizando los átomos y mucho menos la aproximación que tienen los orbitales participantes en la formación de los nuevos enlaces; para tener un acercamiento a este tipo de conceptualizaciones es necesario apoyarse en las herramientas computacionales, como por ejemplo las que se ofrecen en el programa Spartan de Wavefunction Inc, en las que se cuentan con variadas opciones para establecer las energías involucradas en las moléculas participantes de la reacción. Por medio de este programa es posible realizar multiplicidad de ensayos y cálculos acerca de la optimización de las energías en los estados transitorios y finales de las reacciones estudiadas. Para el presente trabajo y posterior análisis, se emplearon los métodos de cálculos relacionados con la optimización de la geometría de las moléculas y de los perfiles de energía potencial de los estados transitorios como lo son el empírico AM1.
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Para realizar el presente trabajo, se seleccionaron inicialmente 7 reacciones que se llevan a cabo por medio de un mecanismo de sustitución nucleofílica; en estas reacciones se quiso analizar su espontaneidad a partir de los factores que en ellas intervienen como son la clase de grupo saliente y entrante, la ubicación en la tabla periódica de los elementos químicos del elemento principal del nucleófilo, el impedimento estérico tanto del sustrato como de nucleófilo. Es conveniente aclarar que las reacciones seleccionadas se analizan bajo la consideración de condiciones de temperatura y presión normales, en estado gaseoso, según parámetros de modelamiento del Spartan, y sin la intervención de catalizadores u otras condiciones especiales, según la bibliográfica consultada.
En la Tabla 1 se muestran las reacciones de diferentes nucleófilos con el yoduro de metilo, la elección del yodo se debió a su tamaño atómico y electronegatividad, lo que le permite ser mejor grupo saliente que los otros elementos pertenecientes al grupo VIIA de la tabla periódica. Tabla 1. Energía libre estándar y coordenada de reacción. empírico AM1. Reacción química Coordenada de reacción.
E
(kJ/mol)
+ + I
–
NH2 H3C I
–
H3C NH2 C-N -275,7
+ + I
–
OH H3C I H3C OH
–
C-O -194,26
+ + I
–
SeH H3C I H3C SeH
–
C-Se -177,52
+ + I
–
SH H3C I H3C SH
–
C-S -121,44
En la Tabla 1, se muestra para cada reacción la restricción de enlace o coordenada interna de reacción seleccionada, así como la energía potencial del sistema transitorio propuesto en la medida que se sucede la reacción y se forma el nuevo enlace. Teniendo presente la reactividad de estos grupos de átomos, se muestra en la Figura 1 su serie de reactividad. En dicha figura se puede observar cuales son las moléculas más reactivas a partir de las energías calculadas, en esta primera serie se observa que dentro del periodo 2, de la tabla periódica, el oxígeno, presente en el ion hidroxilo, exhibe un mejor carácter nucleofílico; esto debido a que los elementos más electronegativos retienen con más fuerza los electrones no enlazantes, que son menos reactivos a la hora de formar nuevos enlaces. Así mismo, se puede observar, en la misma figura, que dentro de un grupo (VIA) el carácter nucleofílico aumenta en la medida que se baja por el mismo, mejor nucleófilo elSe, como consecuencia del aumento del volumen y la polarizabilidad de los átomos. Figura 1. Serie de reactividad a partir de la ubicación dentro de un periodo y de un grupo.
Adicionalmente en la Figura 1 al comparar la magnitud de la energía molecular, se observa que la sustancia menos reactiva, más estable, es el metanol; y la más reactiva, más inestable, es el yodo metano. Estas observaciones concuerdan con la variación del carácter nucleofílico, ya analizado, según la ubicación de los elementos en la tabla periódica. En la Figura 2 se muestra un ejemplo del tipo estado de transición planteado en las simulaciones hechas con el programa Spartan.Figura 2. Estado de transición para la reacción entre el ion butoxi y el yoduro de metilo Yodo metano … Metanotiol Metanamina Metanol En la Tabla.
Se puede apreciar como el carácter disminuye al aumentar el volumen de dicho grupo al pasar de un alcóxido primario, a secundario y por último a terciario; esto se debe principalmente a que el ion tercbutóxido tiene tres grupos metilo, lo que le dificulta mucho aproximarse al átomo de carbono (impedimento estérico) del yoduro de metilo, esto se traduce en una muy baja velocidad de reacción y se confirma con la menor energía potencial que este exhibe en comparación, con los otros iones alcóxidos analizados. La figura 3 confirma la menor favorabilidad de la reacción de producción del Metil tercbutil éter. Tabla 2. Impedimento estérico del nucleófilo. Energía libre estándar y coordenada de enlace. Cálculos realizados con el empírico AM1. Reacción química Coordenada.de reacción.
E
(kJ/mol)
+ + I
–
H3C O H3C I
–
H3C O
CH3 C-O -86,74
+ + I
–
H3C H3C I
CH3
O
–
H3C
CH3
O
CH3
C-O -82,22
+ + I
–
H C H3C I 3
H3C
O
–
H3C
H3C
H3C
O CH3
H3C
C-O -80,14
CONCLUSIONES Las explicaciones de los docentes acerca de las reacciones de sustitución nucleofílica, se deben enmarcar en las condiciones y factores que influyen en ellas, en especial desde el punto de vista de la estabilidad energética, para establecer de esta manera la posibilidad
de que sea una reacción espontánea o no, y de no serlo tener claridad acerca de lo que incide en los sustratos o sustituyentes para que la reacción se lleve a cabo en un corto o largo tiempo (velocidad de reacción). Es posible que al plantear una reacción de sustitución nucleofílica de manera experimental no se realice de manera espontánea o lo haga en un tiempo muy corto, pero las herramientas computacionales permiten analizar la espontaneidad de la reacción sin la limitación del tiempo.
Es posible antes de realizar una clase práctica sobre las reacciones químicas, llevar a cabo un proceso de simulación que permita confirmar si es viable o no dicha reacción, y tener suficientes argumentos, desde el punto de vista computacional, que contribuyan a establecer el cómo y el porqué de la reacción.
REFERENCIAS
1. Bruice, Paula Yurkanis. (2007). Química Orgánica.
México: Prentice Hall 5ª ed.
2. Wade, Jr. (2006). Química Orgánica. Madrid: Prentice
Hall 5ª edición.
-400 -300 -200 -100 0 100
Yodo metano
Metil terbutil eter
Metil secbutil eter
Metil butil éter.
Escritor: Jhon Jairo Pérez Moncada, José Gregorio Cermeños Estrada