El agua de bromo (Br2) es de un intenso color marrón anaranjado. Pero si le añades unas gotas de un alqueno, se vuelve incolora. Esta sencilla reacción de probeta es una forma útil de comprobar el doble enlace C=C característico de un alqueno, y es solamente un ejemplo de las reacciones de adición.
- Este artículo trata sobre las reacciones de los alquenos.
- Primero definiremos el alqueno antes de ver su tipo de reacción más común: las reacciones de adición electrofílica.
- Nos centraremos en cómo reaccionan en las reacciones de adición con halogenuros de hidrógeno, halógenos, hidrógeno y vapor.
- Después exploraremos otras reacciones de los alquenos, incluida su reacción con una solución de manganato (VII).
¿Qué son los alquenos?
Los alquenos, también llamados olefinas, son hidrocarburos insaturados.
Los alquenos son moléculas orgánicas formadas únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. Se caracterizan por tener uno o varios dobles enlaces carbono-carbono (C=C). La presencia de este doble enlace significa que son insaturados.
Los alquenos tienen la fórmula general CnH2n. Algunos ejemplos de alquenos son el eteno (C2H4), el buteno (C4H8) y el deceno (C10H20).
Fig. 1: Eteno.
Adiciones electrofílicas al enlace doble
Los alquenos reaccionan de varias formas diferentes, pero lo más habitual es que lo hagan en reacciones de adición electrofílica.
Una reacción de adición es una reacción que une dos moléculas más pequeñas para formar una molécula más grande.
Las reacciones de adición implican siempre la ruptura de un enlace doble o triple, creando dos nuevos enlaces simples.
En las reacciones de adición electrofílica, una de las pequeñas moléculas implicadas es un electrófilo.
Un electrófilo es un aceptor de pares de electrones.
Los electrófilos son deficientes en electrones. Contienen un ion positivo o un átomo parcialmente positivo con un orbital vacante, y son atraídos por zonas de alta densidad electrónica, como un doble enlace C=C.
Ejemplos de electrófilos son:
- El ion hidrógeno, H+.
- Átomos de hidrógeno δ+, como en el ácido sulfúrico, el agua o los haluros de hidrógeno.
- Los cationes de cloro, Cl+.
En resumen, en las reacciones de adición electrofílica, una molécula deficiente en electrones (un electrófilo) es atraída por una zona de alta densidad electrónica de otra molécula orgánica. El electrófilo forma un enlace covalente con la molécula orgánica, formando una molécula global más grande. Durante el proceso, se rompe un enlace covalente doble o triple y se forman dos nuevos enlaces simples.
Como hemos visto antes, todos los alquenos contienen un doble enlace C=C. Este contiene dos pares de electrones, por lo que es una zona de alta densidad electrónica. Como resultado, los alquenos reaccionan frecuentemente en reacciones de adición electrofílica, incluso con:
- Halogenuros de hidrógeno, HX.
- Halógenos, X2.
- Ácido sulfúrico, H2SO4.
- Vapor, H2O(g).
- Hidrógeno, H2.
Pero antes de examinar cada una de estas reacciones con más detalle, aprendamos primero el mecanismo de las reacciones de adición electrofílica de alquenos.
Mecanismo de reacción de adición de alqueno
Todas las reacciones de adición electrofílica de alquenos siguen el mismo mecanismo general.
- El electrófilo es atraído por la alta densidad electrónica del doble enlace C=C del alqueno.
- El electrófilo acepta un par de electrones del doble enlace C=C y forma un enlace con el alqueno. Esto rompe heterolíticamente un enlace en el electrófilo. En conjunto, este paso crea un ion carbono positivo, llamado carbocatión, y un ion negativo.
- El ion negativo forma entonces un enlace con el carbocatión, neutralizando la molécula.
Fig. 2: Mecanismo general de reacciones de adición electrofílica.
Adición de haluros de hidrógeno a alquenos
Los halogenuros de hidrógeno, como el HBr y el HCl, se suman a través del doble enlace C=C de los alquenos para formar un halogenoalcano. Se trata de una reacción de adición electrofílica conocida como halogenación. Tiene lugar a temperatura ambiente.
Recuerda que los halogenoalcanos son moléculas orgánicas que contienen al menos un enlace carbono-halógeno, representado como C-X. Para más información, consulta Halogenoalcanos.
Como los halógenos son más electronegativos que el hidrógeno, el enlace H-X es polar y el átomo de hidrógeno tiene una carga positiva parcial. Esto le permite actuar como electrófilo.
A continuación se muestra el mecanismo de la reacción entre el bromuro de hidrógeno (HBr) y el eteno (C2H4). Se produce bromoetano (CH3CH2Br).
Fig. 3: Mecanismo para la reacción de adición electrofílica entre el bromuro de hidrógeno y el eteno.
Observa lo siguiente:
- El átomo de H parcialmente positivo del HBr es atraído por el doble enlace C=C del eteno.
- El átomo de H forma un enlace con el eteno, provocando la ruptura del enlace H-Br. En conjunto, se forma un carbocatión positivo y un ion Br- negativo.
- El ion Br- forma un enlace con el carbocatión positivo, dando lugar al bromoetano.
Puede que te hayas dado cuenta de algo. ¿A qué átomo de carbono se une la sección positiva del electrófilo? Con alquenos simétricos como el eteno, en realidad no importa: es tan probable que el electrófilo se una a un átomo de carbono como al otro. Pero las cosas se ponen un poco más complicadas cuando consideramos alquenos más grandes y asimétricos.
Adición de halógenos a alquenos
Los alquenos reaccionan con moléculas de halógenos a temperatura ambiente para formar dihalogenoalcanos, en otra forma de halogenación.
Como podrás adivinar por el nombre, un dihalogenoalcano es simplemente un halogenoalcano con dos átomos de halógeno.
Aunque las moléculas de halógeno no son inicialmente electrófilas, cuando se acercan al enlace C=C rico en electrones del alqueno, se induce un dipolo. El átomo de halógeno más cercano al enlace C=C se carga parcialmente de forma positiva y puede actuar como electrófilo. La reacción sigue entonces el mecanismo general que hemos explorado antes.
Por ejemplo, el bromo (Br2) reacciona con el eteno para formar 1,2-dibromoetano (CH2BrCH2Br), como se muestra a continuación:
Fig. 4: Mecanismo para la adición electrofílica entre el bromo y el eteno. StudySmarter Originals
Como hemos mencionado en la introducción, esta reacción permite utilizar el bromo como prueba del grupo funcional alqueno. El agua de bromo de color marrón anaranjado se decolorará si se añade a una solución que contenga un alqueno. Esto se debe a que el bromo se añade al doble enlace C=C, formando un dibromoalcano.
Adición de ácido sulfúrico a alquenos
Los alquenos reaccionan con ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) a temperatura ambiente en una reacción altamente exotérmica. El electrófilo es uno de los átomos de hidrógeno de la molécula de ácido.
Fig. 6: Ácido sulfúrico, mostrado con algunas de sus cargas parciales.
Si luego se añade agua, el producto final es un alcohol y el ácido sulfúrico se reforma. Esto significa que el ácido sulfúrico actúa como catalizador.
Un catalizador es una sustancia que acelera el ritmo de una reacción, sin consumirse en el proceso.
A continuación se muestra la reacción entre el ácido sulfúrico y el eteno:
Fig. 7: Mecanismo de la reacción de adición electrofílica entre el ácido sulfúrico y el eteno.
Adición de agua a alquenos
Otro ácido, el ácido fosfórico (H3PO4), se utiliza habitualmente en la industria como catalizador de la reacción entre el eteno y el vapor para formar etanol (CH3CH2OH). Tiene un mecanismo ligeramente distinto y más complicado. Se trata de una reacción de hidratación y tiene lugar a una presión de 60 atm y una temperatura de 300 ℃. Esta es la reacción:
Fig. 8: La reacción de adición electrofílica entre el eteno y el agua produce etanol.
Adición de agua a alquinos
Los alquinos también pueden sufrir una reacción de hidratación en presencia de sulfato mercúrico para formar un grupo carbonilo en una reacción similar a la adición de agua a alquenos.
Adición de hidrógeno a alquenos
Los alquenos reaccionan con el hidrógeno en una reacción de hidrogenación para formar alcanos. La reacción se produce a 140 ℃ en presencia de un catalizador de níquel.
Por ejemplo, el eteno puede hidrogenarse en etano:
Fig. 10: Reacción de adición electrofílica entre hidrógeno y eteno. StudySmarter Originals
La hidrogenación se emplea habitualmente en la producción de margarina, ya que “endurece” los aceites vegetales, aumentando su punto de fusión para que sean sólidos a temperatura ambiente. En concreto, implica una hidrogenación parcial, en la que algunos de los dobles enlaces cis C=C de los aceites se hidrogenan y otros se convierten en enlaces trans. La hidrogenación parcial ayuda a convertir los aceites en un producto suave, cremoso y untable, con una lujosa sensación en la boca.
Aunque las grasas trans son baratas de producir, fáciles de usar y ayudan a dar a algunos alimentos un sabor y una textura deseables, se han relacionado con niveles elevados de colesterol y un mayor riesgo de enfermedades cardiacas, gracias a su impacto en los niveles de “colesterol malo”, el LDL. ¿Valen realmente la pena por su sabor?
Otras reacciones de los alquenos
Los alquenos también pueden producirse en reacciones de oxidación con solución de manganato (VII) de potasio (KMnO4) y en reacciones de polimerización.
Reacción con solución de manganato
Los alquenos reaccionan con una solución de manganato (VII) de potasio en una reacción de oxidación, en la que los iones de manganato(VII) actúan como agente oxidante. Se caracteriza por un cambio drástico de color. Los productos exactos varían en función de las condiciones.
Solución ácida diluida fría de manganato
A temperatura ambiente, los alquenos reaccionan con una solución ácida diluida de manganato (VII) para formar un diol. La reacción también libera iones Mn+2, que vuelven incolora la solución púrpura de manganato.
Por ejemplo, al reaccionar el eteno con una solución ácida diluida y fría de manganato, se forma etano-1,2-diol. Aquí hemos representado el agente oxidante (los iones manganato (VII)) como [O].
Fig. 11: Reacción entre manganato frío, diluido, ácido y eteno.
Solución alcalina diluida fría de manganato
La reacción anterior tuvo lugar en condiciones ácidas. Sin embargo, si la solución de manganato es alcalina, obtenemos un resultado ligeramente distinto. Una vez más, el alqueno se oxida a diol, pero esta vez los iones manganato se reducen a iones Mn+4. Estos convierten la solución púrpura en verde oscuro antes de producir un precipitado marrón oscuro.
Aunque estas reacciones producen un cambio de color característico, no son un indicador útil de la presencia de alquenos, ya que el permanganato potásico es capaz de oxidar una gran variedad de moléculas. La adición electrofílica con agua de bromo es una prueba más útil, como se ha explicado anteriormente.
Solución ácida concentrada caliente de manganato
Calentar un alqueno con una solución ácida concentrada de manganato no solo acaba con un diol. Las duras condiciones hacen que el alcohol se oxide aún más. En esencia, el doble enlace C=C del alqueno se rompe por completo y el alqueno se divide en dos. Cada una de las moléculas divididas por la mitad forma un doble enlace C=O con el agente oxidante. Se forma dióxido de carbono (CO2), un aldehído (RCHO), un ácido carboxílico (RCOOH) o una cetona (RCOR').
¿Cómo sabemos con qué productos acabaremos? Tomamos cada átomo de carbono del doble enlace C=C por separado, y consideramos los dos grupos unidos a ellos.
- Si el átomo de carbono está unido a dos grupos R, formamos una cetona.
- Si el átomo de carbono está unido a un grupo R y a un átomo de hidrógeno, formamos un aldehído, que luego se oxida y se convierte en un ácido carboxílico.
- Si el átomo de carbono está unido a dos átomos de hidrógeno, formamos dióxido de carbono.
Aquí tienes un diagrama que muestra los tres resultados posibles.
Reacciones de polimerización
Por último, haremos una breve inmersión en las reacciones de polimerización de alquenos. Varios alquenos pueden unirse para formar polímeros de adición.
Los polímeros son grandes moléculas formadas por unidades repetitivas llamadas monómeros. Los polímeros de adición son un tipo particular de polímero que se forma sin crear ningún otro subproducto.
Los polímeros de alqueno, llamados polialquenos, están formados por montones de monómeros de alqueno conectados por enlaces covalentes simples. El doble enlace C=C de cada alqueno se abre y sirve para unirse al alqueno adyacente, formando una larga cadena polimérica.
Utilizamos polímeros de adición como los polialquenos para fabricar cosas como plásticos, tejidos y materiales de construcción. Se pueden utilizar todo tipo de monómeros, siempre que contengan un doble enlace C=C. Las propiedades exactas de los polímeros dependen del monómero y de su estructura.
También existe otro tipo de polimerización: la polimerización por condensación. Utiliza monómeros con dos grupos funcionales diferentes. Más información en Reacciones de polimerización.
Regla de Markovnikov
Imagina que tienes un alqueno asimétrico. ¿Cómo sabes a cuál átomo de carbono se adiciona el electrófilo, y a cuál grupo se adiciona el ion negativo? Para responder esta pregunta, el químico ruso Vladimir Markovnikov formuló la regla de Markovnikov en 1869.
La regla de Markovnikov establece que en una reacción de adición electrofílica, el electrófilo se adiciona al átomo de carbono con más enlaces con hidrógeno, mientras que el ion negativo se adiciona al átomo de carbono con menos enlaces con hidrógeno. Si una reacción no sigue la regla de Markovnikov, se conoce como anti-Markovnikov.
Veamos la regla de Markovnikov en acción estudiando una reacción de adición.
Adición de HCl a alquenos asimétricos
La Fig. 12 muestra la adición de HCl a alquenos asimétricos.
Fig. 13: Adición de HCl a alquenos asimétricos.
Puedes observar como esta reacción sigue la regla de Markovnikov, porque el hidrógeno del HCl se adiciona al carbono con más hidrógenos, mientras que el cloro se adiciona al carbono con menos hidrógenos.
Reacciones de adición - Puntos clave
- Los alquenosson hidrocarburos saturados con uno o más dobles enlaces C=C.
- Los alquenos reaccionan en reacciones de adición electrofílica. En estas reacciones, un electrófilo se combina con un alqueno para formar una molécula mayor, rompiendo el doble enlace C=C del alqueno.
- Algunos ejemplos de reacciones de adición electrofílica de alquenosson:
- La reacción con halogenuros de hidrógeno para formar halogenoalcanos.
- La reacción con halógenos para formar dihalogenoalcanos.
- La reacción con ácido sulfúrico.
- La reacción con hidrógeno para formar alcanos.
- La reacción con vapor para formar alcoholes.
- Los alquenos también reaccionan con una solución de manganato (VII) en una reacción de oxidación. Los productos dependen de las condiciones.
- Los alquenos participan en reacciones de polimerización, formando polímeros de adición.
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