Intermedio de reacción

En química, un intermedio de reacción, o intermedio, es una entidad molecular que surge dentro de la secuencia de una reacción química escalonada. Se forma como el producto de reacción de un paso elemental, a partir de los reactivos y/o intermediarios anteriores, pero se consume en un paso posterior. No aparece en la ecuación química de la reacción general.

Por ejemplo, considere esta reacción hipotética:

A + B → C + D

Si esta reacción global comprende dos pasos elementales:

A + B → X

X → C + D

Entonces X es un intermedio de reacción.

La frase intermedio de reacción se suele abreviar con la palabra intermedio, que es la forma preferida de la IUPAC para este término. Pero esta forma más corta tiene otros usos. A menudo se refiere a intermediarios reactivos. También se utiliza más ampliamente para sustancias químicas como el cumeno, que se comercializan dentro de la industria química pero que, por lo general, no tienen valor fuera de ella.

El Libro de Oro de la IUPAC define un intermedio como un compuesto que tiene una vida útil mayor que una vibración molecular, se forma (directa o indirectamente) a partir de los reactivos y reacciona posteriormente para dar (directa o indirectamente) los productos de una reacción química. La condición de vida útil distingue a los intermediarios verdaderos, químicamente distintos, tanto de los estados vibracionales como de los estados de transición (que, por definición, tienen vidas útiles cercanas a la de la vibración molecular).

Los distintos pasos de una reacción de varios pasos suelen diferir ampliamente en sus velocidades de reacción. Cuando la diferencia es significativa, un intermedio que se consume más rápidamente que otro puede describirse como un intermedio relativo. Un intermedio reactivo es aquel que, debido a su corta vida útil, no permanece en la mezcla de productos. Los intermedios reactivos suelen tener alta energía, son inestables y rara vez se aíslan.

Los cationes, a menudo carbocationes, sirven como intermediarios en varios tipos de reacciones para sintetizar nuevos compuestos.

Los carbocationes se forman en dos reacciones principales de adición de alquenos. En una reacción de adición de HX, el enlace pi de un alqueno actúa como un nucleófilo y se une al protón de una molécula de HX, donde X es un átomo de halógeno. Esto forma un carbocatión intermedio y luego X se une al carbono positivo que está disponible, como en la siguiente reacción de dos pasos.

CH₂CH₂ + HX → CH₂CH+3 + X⁻

CH₂CH+3 + X⁻ → CH₂XCH₃

De manera similar, en una reacción de adición de H₂O, el enlace pi de un alqueno actúa como un nucleófilo y se une con el protón de una molécula de [H₃O]⁺. Esto forma un intermedio carbocatión (y un átomo de H₂O); el átomo de oxígeno de H₂O se une luego con el carbono positivo del intermedio. El oxígeno finalmente se desprotona para formar un producto final de alcohol, de la siguiente manera.

CH₂CH₂ + [H₃O]⁺ → CH₂CH+3 + H₂O

CH₂CH+3 + H₂O → CH₂Oh.₂CH+3

CH₂Oh.₂CH+3 + H₂O → CH₃CH₂OH + [H₃O]⁺

Las reacciones de sustitución nucleofílica ocurren cuando una molécula nucleofílica ataca un centro electrofílico positivo o parcialmente positivo rompiendo y creando un nuevo enlace. SN1 y SN2 son dos mecanismos diferentes para la sustitución nucleofílica, y SN1 implica un carbocatión intermedio. En SN1, un grupo saliente se rompe para crear un carbocatión intermedio. Luego, un nucleófilo ataca y forma un nuevo enlace con el carbocatión intermedio para formar el producto final sustituido, como se muestra en la reacción de 2-bromo-2-metilpropano para formar 2-metil-2-propanol.

(CH)₃)₃CBr → (CH)₃)₃C⁺

(CH)₃)₃C⁺ + H₂O → (CH)₃)₃Oh.+2

(CH)₃)₃Oh.+2 →₃)₃OH + H⁺

En esta reacción, (CH₃)₃C⁺ es el carbocatión intermedio formado para formar el producto alcohólico.

Las reacciones de eliminación o β-eliminación se producen por la pérdida de un grupo saliente sustituyente y la pérdida de un protón para formar un enlace pi. E1 y E2 son dos mecanismos diferentes para las reacciones de eliminación, y E1 implica un carbocatión intermedio. En E1, un grupo saliente se desprende de un carbono para formar un carbocatión intermedio. Luego, un disolvente elimina un protón, pero los electrones utilizados para formar el enlace protónico forman un enlace pi, como se muestra en la reacción ilustrada a la derecha.

Un carbanión es una molécula orgánica en la que un átomo de carbono no tiene deficiencia de electrones pero contiene una carga negativa general. Los carbaniones son nucleófilos fuertes, que pueden usarse para extender la cadena principal de carbono de un alqueno en la reacción de síntesis que se muestra a continuación.

C₂H₂ con NaNH₂ en NH₃l) → CHC⁻

CHC⁻ + BrCH₂CH₃ → CHC−CH₂CH₃

El carbanión alquino, CHC⁻, es un intermedio de reacción en esta reacción.

Los radicales son altamente reactivos y de vida corta, ya que tienen un electrón desapareado que los hace extremadamente inestables. Los radicales a menudo reaccionan con hidrógenos unidos a moléculas de carbono, convirtiendo efectivamente el carbono en un radical mientras estabilizan el radical anterior en un proceso llamado propagación. El producto formado, un radical de carbono, puede reaccionar con una molécula no radical para continuar la propagación o reaccionar con otro radical para formar una nueva molécula estable, como una cadena de carbono más larga o un haluro de alquilo.

El siguiente ejemplo de cloración de metano muestra una reacción de varios pasos que involucra radicales.

La cloración del metano es una reacción en cadena. Si se analizan únicamente los productos y los reactivos, el resultado es:

CH₄ + 4 Cl₂ → CCl₄ + 4 HCl

Sin embargo, esta reacción tiene 3 reactivos intermedios que se forman durante una secuencia de 4 reacciones irreversibles de segundo orden hasta llegar al producto final. Por eso se llama reacción en cadena. Siguiendo sólo las especies que contienen carbono en serie:

CH₄ → CH₃Cl → CH₂Cl₂ → CHCl₃ → CCl₄

Reactivos: CH₄ + 4 Cl₂

Productos: CCl4_{+ 4 HCl}

Las otras especies son intermediarios de reacción: CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃

Éstas son el conjunto de reacciones irreversibles de segundo orden:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl

Las concentraciones de estas especies intermedias se pueden calcular integrando el sistema de ecuaciones cinéticas. La reacción completa es una reacción de propagación de radicales libres que se detalla a continuación.

Iniciación: Esta reacción puede ocurrir por termólisis (calentamiento) o fotólisis (absorción de luz) que conduce a la ruptura de un enlace molecular de cloro.

Cl - Cl .→ Cl• + Cl•

Cuando se rompe el enlace se producen dos átomos de cloro altamente reactivos.

Propagación: Esta etapa tiene dos clases de reacciones distintas. La primera es la eliminación de un hidrógeno de la especie de carbono por los radicales de cloro. Esto ocurre porque los átomos de cloro por sí solos son inestables y estos átomos de cloro reaccionan con uno de los hidrógenos de la especie de carbono. El resultado es la formación de ácido clorhídrico y un nuevo grupo radical metilo.

CH₃−H + Cl• → CH₃• + H−Cl

CH₂Cl−H + Cl• → CH₂Cl• + H−Cl

CHCl₂−H + Cl• → CHCl₂• + H−Cl

CCl₃−H + Cl• → CCl₃• + H−Cl

Estas nuevas especies que contienen radicales de carbono reaccionan ahora con una segunda molécula de CHCCl₂. Esto regenera el radical de cloro y el ciclo continúa. Esta reacción se produce porque, si bien las especies de radicales metilo son más estables que los radicales de cloro, la estabilidad general de las especies de clorometano recién formadas compensa con creces la diferencia de energía.

CH₃• + Cl−Cl → CH₃Cl + Cl•

CH₂Cl• + Cl−Cl → CH₂Cl₂ + Cl•

CHCl₂• + Cl−Cl → CHCl₃ + Cl•

CCl₃• + Cl−Cl → CCl₄ + Cl•

Durante la propagación de la reacción, hay varias especies altamente reactivas que se eliminarán y se estabilizarán en la etapa de terminación.

Terminación: Este tipo de reacción se produce cuando las especies radicales interactúan directamente. Los productos de las reacciones de terminación suelen tener un rendimiento muy bajo en comparación con los productos principales o intermedios, ya que las especies radicales altamente reactivas se encuentran en una concentración relativamente baja en relación con el resto de la mezcla. Este tipo de reacción produce productos secundarios, reactivos o intermedios estables y ralentiza la reacción de propagación al reducir la cantidad de radicales disponibles para propagar la reacción en cadena.

Existen muchas combinaciones de terminaciones diferentes, algunos ejemplos son:

Unión de radicales metilo a partir de un enlace C-C que da lugar a etano (un producto secundario).

CH₃• + CH₃• CH →₃Č₃

Unión de un radical metilo a un radical Cl que forma clorometano (otra reacción que forma un intermedio).

CH₃• + Cl• → CH₃Cl

Unión de dos radicales Cl para formar gas cloro (reacción que reforma un reactivo).

Cl• + Cl• → Cl₂

Los intermediarios de reacción sirven para diversos fines en diversos entornos biológicos. Un ejemplo de ello se demuestra con el intermediario de reacción enzimática de la metalo-β-lactamasa, que las bacterias pueden utilizar para adquirir resistencia a los antibióticos de uso común, como la penicilina. La metalo-β-lactamasa puede catalizar las β-lactáminas, una familia de antibióticos comunes. Las técnicas de espectroscopia han descubierto que el intermediario de reacción de la metalo-β-lactamasa utiliza zinc en la vía de resistencia.

Otro ejemplo de la importancia de los intermediarios de reacción se observa en la p97 de AAA-ATPasa, una proteína que se utiliza en una variedad de procesos metabólicos celulares. La p97 también está relacionada con enfermedades degenerativas y cáncer. En un estudio que analizaba los intermediarios de reacción de la función de la p97 de AAA-ATPasa, se encontró que un importante intermediario nucleótido ADP.P_i es importante en el funcionamiento molecular de la p97.

Otro ejemplo de intermediarios de reacción biológicamente relevantes son las enzimas RCL, que catalizan los enlaces glucosídicos. Cuando se estudió mediante metanólisis, se descubrió que la reacción requería la formación de un intermediario de reacción.

En la industria química, el término intermedio también puede referirse al producto (estable) de una reacción que es valioso en sí mismo sólo como precursor químico para otras industrias. Un ejemplo común es el cumeno, que se fabrica a partir de benceno y propileno y se utiliza para producir acetona y fenol en el proceso del cumeno. El cumeno en sí mismo tiene relativamente poco valor y, por lo general, sólo lo compran y venden las empresas químicas.

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