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Radicales libres, reacciones, estereoquímica, halogenaciones, iniciadores e inhibidores....

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RADICALES LIBRES Definición Un radical libre es una especie química que contiene un número impar de electrones y, por lo tanto, tiene solo un electrón sin aparear en uno de sus orbitales. Aunque un radical libre ordinario no tiene carga positiva o negativa, constituye una especie altamente reactiva. Al escribir el símbolo de un radical libre, generalmente se incluye un punto para representar el electrón impar.

Reacción típica de radicales libres: cloración del metano La cloración de metano es un ejemplo clásico de reacción por radicales libres. El resultado de la reacción del Cl2 y el CH4 es la sustitución de uno o más átomos de hidrógeno por átomos de cloro dando como subproducto HCl. Para que la reacción se produzca se necesita luz o calor. El mecanismo de reacción se considera como una serie gradual de reacciones, con tres pasos: iniciación, propagación y terminación. Iniciación: La irradiación con luz UV inicia la reacción al romper el enlace relativamente débil Cl-Cl para dar dos radicales de cloro reactivos. Cada átomo de cloro tiene un número impar de electrones de valencia (7), uno de los cuales está desapareado. Propagación: Una vez que es producido, un radical cloro reactivo colisiona con una molécula de metano en una etapa de propagación, removiendo un átomo de hidrógeno para dar HCl y un radical metilo (-CH3). Este radical metilo es también reactivo y reacciona más adelante con Cl2 en una segunda etapa de propagación para formar el clorometano más un nuevo radical cloro, el cual regresa al ciclo y repite la primera etapa de propagación. De esta forma, la reacción en cadena continúa hasta que los reactivos se agotan u otra reacción consume los intermediarios radicalarios. El número de ciclos o veces que pasa a través de las etapas de propagación se llama longitud de la cadena. Terminación: Ocasionalmente, podrían colisionar y combinarse dos radicales para formar un producto estable y, cuando esto sucede, se rompe el ciclo de la reacción y se finaliza la cadena; sin embargo, tales etapas de terminación ocurren con poca frecuencia debido a que es muy pequeña la concentración de radicales en la reacción en un momento dado. La cloración del metano se termina principalmente combinando radicales libres con otros radicales.

Las reacciones de radicales libres frecuentemente se caracterizan por una multitud de productos. La cloración del metano puede dar cuatro productos orgánicos. La razón es que el radical cloro, de alta energía, no es particularmente selectivo en cuanto a cuál hidrógeno sustrae durante la etapa de propagación.

Reactividades relativas de los halógenos La reactividad relativa que existe entre los halógenos con los alcanos es por la facilidad con la que la molécula X se rompe en forma de radicales libres y la halogenación del metano es una de estas reacciones, transcurren con la formación de radicales libres; en donde se sustituye un hidrógeno por un halógeno. 2

En los halógenos sus reactividades en reacciones de radicales libres con alcanos varía dramáticamente. El orden de reactividad es: F , Cl , Br y I . Este orden de reactividad es el principal resultado de la entalpía, ΔH, de los pasos de propagación en la halogenación por radicales libres. 2

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En las entalpías de las etapas de propagación de los diferentes halógenos, se observan diferencias en los calores intercambiados. En el caso del flúor ambos pasos son altamente exotérmicos con balance energético de 103 Kcal/mol, por lo que, se produce más energía de la necesaria para romper enlaces entre F-F. Por esta razón el flúor es el halógeno más reactivo y reacciona explosivamente con los hidrocarburos. Por otro lado, la reacción del yodo es endotérmica en 13 Kcal/mol; esto quiere decir que los productos tienen mayor energía que los reactivos, por lo que, no es reactivo con los alcanos. La energía requerida por el yodo para poder sustraer un hidrógeno de un enlace C-H, es primordialmente endotérmica. Esta reacción es un ejemplo de radical libre estable (no sustrae hidrógenos). El cloro y el bromo ocupan una posición intermedia entre las dos reacciones anteriores respecto de la entalpía, ΔH, y reactividad. Como se puede observar sólo el cloro y el bromo son rentables como agentes halogenantes por radical libre.

Estereoquímica de las reacciones de sustitución con radical y de adición Cuando un reactivo que carece de un centro asimétrico experimenta una reacción donde se forma un producto con un centro asimétrico el producto será una mezcla racémica. Entonces, la siguiente reacción de sustitución con radical forma cantidades iguales de cada enantiómero. Igualmente, la siguiente reacción de adición por radical forma cantidades iguales de cada enantiómero. Las reacciones anteriores forman una mezcla racémica porque en ambas se genera un radical intermediario, donde el carbono con el electrón no apareado tiene una hibridación sp (formando una estructura plana trigonal), donde el bromo tiene igual acceso a ambos lados del plano. 2

El radical intermediario de la reacción de sustitución se forma cuando el radical bromo extrae a un átomo de hidrógeno del reactivo; el radical intermediario en la reacción de adición se forma cuando el radical bromo se adiciona a uno de los carbonos con hibridación sp2 del enlace doble. También se obtienen cantidades idénticas de los enantiómeros R y S si un hidrógeno unido a un centro asimétrico se sustituye por un halógeno. Al romper el enlace con el centro asimétrico se destruye la configuración en ese lugar y se forma un radical intermediario plano. El halógeno que llega tiene acceso a ambos lados del plano por igual, así que se obtienen cantidades idénticas de los dos enantiómeros.

Sustracción de hidrógeno: paso determinante de velocidad. No se encuentran en la química de radicales libres expresiones sencillas de velocidad, tales como las de primer orden y segundo orden. La razón de esta complejidad, es que los pasos en una reacción de radicales libres están involucrados en un proceso cíclico de longitud de cadena variable. Sin embargo, la evidencia señala que el paso de la sustracción de hidrógeno es el que gobierna la velocidad total con que se forman los productos. Los átomos de hidrógeno en los compuestos orgánicos pueden clasificarse como metílicos (CH,), primarios (unidos a un átomo de carbono), secundarios (unidos a un átomo de carbono secundario), terciarios (unidos a un carbono terciario), alílicos (sobre un carbono adyacente a un doble enlace) o bencílicos (sobre un carbono adyacente a un anillo aromático). La selectividad en la sustracción del hidrógeno puede deberse a que los radicales libres están estabilizados por interacción con los enlaces sigma. Un hidrógeno secundario es sustraído más rápido que un hidrógeno primario debido a que el estado de transición con carácter de radical libre secundario es más estable que aquel con carácter de radical libre primario.

Halogenaciones selectivas por radicales libres Bromo frente a cloro. El alcano experimenta fluoración, cloración, bromación o yodación. El término general es halogenación. De ellas la cloración y la bromación son las más usadas. El bromo es más selectivo que el cloro en la sustracción de un hidrógeno secundario, esto es debido a que el bromo es menos reactivo en las halogenaciones por radicales libres. La cloración de alcanos es menos exotérmica que la fluoración, y la bromación es menos exotérmica que la cloración. La cloración de los alcanos no es muy selectiva. Las diversas clases de hidrógenos presentes en una molécula (terciarios, secundarios y primarios) difieren sólo por un factor de 5 en la velocidad relativa a la que reacciona cada uno con un átomo de cloro. El bromo reacciona con los alcanos por un mecanismo en cadena por radicales libres análoga a la del cloro. Sin embargo, hay una diferencia importante entre la cloración y la bromación. La bromación es muy selectiva para la sustitución de hidrógenos terciarios, pues examina los cambios de energía en el que cada átomo de halógeno sustrae un hidrógeno. Halogenaciones bencílicas y alílicas La halogenación por radicales libres es otra reacción que tiene lugar preferentemente en la posición bencílica, por ejemplo del tolueno, ya sea con cloro o bromo. Un alquilbenceno con una cadena lateral más complicada que un metilo ofrece más de una posición de ataque, por lo que existe una posibilidad para obtener una mezcla de isómeros. En ella la separación de hidrógenos es fácil debido a la orientación de la bromación. Aún no se comprende por qué los hidrógenos bencílicos son menos reactivos que los hidrógenos secundarios ante los átomos de cloro por lo que se atribuye esto factores polares.

Procesos presentes por medio de mecanismos de radicales libres • Pirólisis: Descomposición térmica de compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno

(Fessenden, 1983) Surge a causa de un calentamiento a altas temperaturas, cuando las moléculas orgánicas se calientan se quiebran los enlaces sigma C-C dando fragmentos, que resultan ser radicales libres. A esta ruptura se le conoce como homólisis inducida térmicamente, siendo la primera etapa para una serie de reacciones de radicales por un proceso de fragmentación. Ya formados se puede dar origen a la propagación con nuevos radicales libres; en el punto final de la pirólisis puede surgir un acoplamiento de dos radicales o la desproporción de dos radicales donde en una reacción de dos especies equivalentes se produce la oxidación de una mientras la otra se reduce. Entre dos radicales libres alquilo (un átomo de hidrógeno se transfiere de un radical a otro) se forman dos productos estables, un alcano (producto reducido) y un alqueno (producto oxidado). • Radicales libres en sistemas biológicos: Parte integral del desarrollo en la química

de sistemas vivos. Un ejemplo claro son las reacciones de oxidación- reducción en el proceso de convertir glucosa en dióxido de carbono, agua y energía, donde en procesos finales los electrones para la reducción de moléculas de glucosa son proporcionados por el ion hierro-II. La hidroquinona (dihidroxi-benceno), sustancia principal, se oxida a una quinona (compuesto dicarbonílico) para después reducirse a hidroquinona por medio de un agente reductor [H]. En las células ion hierro-II es regenerado en células por el ion hierro-III por reacción con una hidroquinona. El anillo del producto ubiquinona (Coenzima Q) está sustituido con dos grupos metoxilo (CH3O-), un grupo metilo y una cadena larga hidrocarbonada (R). • Radiaciones ionizantes: Reacciones por radicales libres por radiaciones alfa, beta y gama, así como rayos X. ¿Cómo daña a las células?, por medio de la ruptura de moléculas en iones y radicales libres ya sea por una ruta de destrucción directa de componentes celulares o por la formación de radicales o iones que padecen reacciones anormales. • Despolimerización: Surge en los ácidos nucleicos, donde al exponerse a radiación quedan sometidos a la fragmentación desde una molécula grande a una pequeña. • Oxígeno como reactivo: Siendo un birradical en estado basal, no puede explicarse

por fórmulas de enlace-valencia, esto lo convierte en un radical libre selectivo. Daño o estrés oxidativo se ha definido como la exposición de la materia viva a diversas fuentes que producen una ruptura del equilibrio existente entre las sustancias prooxidantes y los mecanismos antioxidantes quienes eliminan tales especies, esto puede darse por el incremento de producción de especies reactivas del oxígeno o por el déficit de las defensas. Existen especies reactivas del oxígeno, que también se les llama “sustancias prooxidantes” como el radical hidroxilo, peróxido de hidrógeno, anión superóxido, oxígeno singlete, oxígeno nítrico, peróxido, semiquinona y ozono. .

El oxígeno se encuentra en su forma más estable (O2) con los electrones que forman el enlace (p) o sea en estado de triplete, así el oxígeno es poco reactivo con una velocidad de reacción a temperatura fisiológica baja pero que con reacciones enzimáticas o por defecto de las radiaciones ionizantes se pueden realizar sustancias pro oxidantes (radicales libres reactivos) capaces de dar lugar a otras múltiples reacciones con otros organismos produciendo daño celular. Basados en las atribuciones del Cap.Venereo Gutiérrez J. los radicales libres del oxígeno pueden clasificarse en: 1.- Radicales libres inorgánicos o primarios, se originan por la transferencia de electrones sobre el átomo de oxígeno, representan distintos estados en la reducción del oxígeno, tienen una vida media corta. Ejemplos: anión superóxido, radical hidroxilo y óxido nítrico. 2.- Radicales libres orgánicos o secundarios, se originan de la transferencia de un electrón de un radical primario a un átomo de molécula orgánica como de carbono, nitrógeno, oxígeno y azufre, también puede surgir de la reacción de dos radicales primarios; estos poseen una vida media larga a diferencia de los primarios. 3.- Intermediarios estables relacionados con los radicales libres del oxígeno: son especies químicas generadoras de otras sustancias o que resultan de la reducción de las mismas, por ejemplo, el oxígeno singlete, peróxido de hidrógeno, ácido hipocloroso, peroxinitrito y los hidroperóxidos orgánicos. Los radicales libres se generan a nivel intracelular y extracelular, entre las células relacionadas con la producción de los radicales libres del oxígeno son los neutrófilos, monocitos, macrógagos, eosinófilos y células endoteliales. También se tienen contempladas las enzimas oxidantes, tales como la xantin-oxidasa. la indolamindioxigenasa, la triptófano-dioxigenasa, mieloperoxidasa, la galactosa oxidasa, lipoxigenasa, monoamino-oxidasa y NADPH oxidasa. • Autoxidación: Reacciones susceptibles de oxidación al aire, produce hidroperóxidos que son compuestos con el grupo -OOH y que son susceptibles a convertirse en mezclas de alcoholes o cetonas, esta es poco empleada como técnica de síntesis orgánica. Un ejemplo es del aldehído convertido en ácido carboxílico por medio de esta reacción de peroxiácido intermedio con el aldehído.

Iniciadores e inhibidores de radicales libres Un iniciador de radicales libres es todo lo que pueda iniciar una reacción por radicales libres. Cualquier compuesto que pueda descomponerse en radicales libres puede actuar como un iniciador. Por ejemplo, los peróxidos, estos forman radicales libres fácilmente debido a que la energía de disociación del enlace RO-RO es de aproximadamente 35 kJ/mol. Por otro lado, los inhibidores de radicales libres inhiben la reacción por radicales libres. La acción usual de los inhibidores es reaccionar con radicales reactivos para formar radicales estables y no reactivos. Un inhibidor que controla la autoxidación se llama antioxidante o conservador. Los fenoles son antioxidantes eficientes.

Referencias Fessenden, R. y Fessenden, J. (1983). Química orgánica. Grupo Editorial Iberoamérica McMurry, J. (2012). Química orgánica. (8a ed.). Cengage Learning. Venereo,J.(2002). Daño oxidativo, radicales libres y antioxidantes. Cubana Medicina Militar, 31(2), 126-133. [Archivo PDF] Wade, L.G. (2004). Química orgánica. (5a ed.). Pearson educación. Yurkanis, B. P. (2008). Química orgánica (5a edición). Pearson educación....