jueves, 2 de noviembre de 2017

El sueño del Ingeniero Químico

En una de mis primeras clases de la carrera de Ingeniería Química, un profesor escribió en la pizarra: "Mi nombre es Ingeniero Diego". Recuerdo claramente que alguien en la clase preguntó si de hecho, el nombre del profesor fuese Ingeniero, y el apellido Diego. Supongo que los que estudiamos Ingeniería Química no somos tan inteligentes como la gente piensa. 

Mi nombre es Ingeniero Bruno

Estudié Ingeniería Química en la ESPOL, una universidad técnica en Ecuador, donde aún no está claro qué es más difícil: aprobar el examen de admisión o llegar a graduarse. Lo único que está claro es que todos los padres del Ecuador quieren que su hijo estudie en la ESPOL. Yo no fui la excepción, ¿pero por qué química? La verdad yo quería resolver el problema del calentamiento global. Debo admitir que me frustré un poco en el camino, pero esa es otra historia. Mientras tanto conocí un montón de amigos locos con pasiones similares a las mías. Mis papás siempre me decían que recordaría el colegio como la mejor etapa de mi vida, pero para mí, la mejor etapa de mi vida la he vivido en la universidad.

El loco nórdico

Ecuador es un país que por circunstancias históricas se encuentra en desventajas frente al resto del mundo en varios aspectos. Uno de ellos es la investigación y el desarrollo tecnológico. En mi universidad, que es la mejor del país, no es posible realizar un PhD. Quien quiere realizar un PhD obligadamente debe hacerlo en el exterior, lo que no es tan fácil por motivos económicos y familiares. Por este motivo, hay pocos PhDs en el país y se realiza poca investigación. 

Con la intención de mejorar la calidad y cantidad de investigación en Ecuador, el gobierno de "ya saben quién" comenzó a ofrecer una gran cantidad de becas a quienes quisiesen realizar estudios de posgrado en el exterior. Sólo había que aprender inglés y sacar la visa. Entre todos los países donde alguien podría hacer una maestría, definitivamente escogí uno de los más fríos, Dinamarca, pero tenía curiousidad por la cultura escandinava. Alguna vez leí que al viajar en avión nos exponemos a radiación peligrosa. Si eso fuese cierto, entonces la radiación a la que fui expuesto en el viaje intercontinental definitivamente habría sido lo que me volvió loco.

Atomium

Después de recibir becas, un número considerable de ingenieros químicos de my universidad en Ecuador terminó haciendo sus estudios de posgrado en Bélgica. A pesar de que las aerolíneas de bajo costo ofrecen precios muy convenientes entre Copenhagen y Bruselas, y mis amigos estaban ahí, sólo me decidí a visitarlos luego de haber compartido despacho con un estudiante de intercambio de Gent. Los belgas inventaron el saxofón, y por supuesto, está la cerveza belga. Pero probablemente lo que más me llamó la atención fue la idea simbólica detrás del monumento "Atomium".




El monumento fue presentado en la primera feria Expo que se llevó a cabo luego de la segunda guerra mundial. Según lo que entiendo, en aquellos tiempos la tecnología nuclear se veía prometedora, pero la gente pensaba en ella sólo como un arma. Creo que esta sensación de desconfianza se puede comparar a otras áreas científicas, como la biotecnología. pero a pesar de los riesgos y controversias, debemos recordar que la ciencia también puede traer progreso y proveer de una mejor vida a la humanidad. Esta es la idea detrás del "Atomium" y ese es el motivo por el que lo visité. No podría haber sido más afortunado cuando lo hice porque algunos de mis amigos ingenieros químicos con los que comparto la pasión por la investigación también estuvieron ahí. A ellos, y a todos los otros que se esparcieron por el mundo para seguir sus sueños locos, les dedico este blog. 


miércoles, 7 de diciembre de 2011

Mecanismos de reacción.- Sustituciones nucleofílicas

Para las reacciones químicas en general, hay que tener en cuenta que la velocidad de reacción depende de la diferencia entre la energía del estado de transición y la del estado basal de las especies. A mayor energía de estado de transición y menor de la del estado basal, la velocidad de reacción será más lenta.  A menor energía de estado de transición y mayor de la del estado basal, la velocidad de reacción será más rápida.

SN2.- Son de segundo orden ya que dependen de la concentración de los dos reactivos (bimoleculares). En estas reacciones el nucleófilo ataca al carbón enlazado al grupo saliente. El siguiente paso es un estado de transición, en que se forman enlaces parciales entre el nucleófilo y el carbón y el carbón y el grupo saliente. La estereoquímica del carbón se invierte cuando el enlace entre el nucleófilo y el carbón se forman completamente. En este momento se retira  completamente del compuesto, el ión del grupo saliente.

Consideraciones para las reacciones SN2

Substrato:
Los compuestos más abultados dificultarán que el nucleófilo se aproxime al carbono enlazado al grupo saliente. Estos compuestos serán menos reactivos y la energía del estado de transición será más alta, reduciendo la velocidad de reacción.
Los compuestos más reactivos serían los carbonos primarios y secundarios y los metiles.

Nucleófilo:
Un nucleófilo es una especie que presenta afinidad por los átomos de carbono. La nucleofilidad incrementa con la reactividad. Las especies más reactivas son las que tienen los electrones más alejados del núcleo; es decir, más fáciles de separar y formar enlaces. La nucleofilidad crece en sentido opuesto a la electronegatividad.

HS->HO->I->Br->Cl-

Los nucleófilos más básicos tendrían una mayor energía de estado basal y la velocidad de reacción sería más rápida.

Si el nucleófilo está cargado negativamente, el producto será neutro. Si el nucleófilo está neutro, el producto tendrá carga positiva. Los nucleófilos cargados negativamente serán más reactivos.

Grupo Saliente:
Los aniones más estables favorecen la reacción, por lo que reducen la energía del estado de transición y la velocidad de reacción será más rápida.

Los aniones más estables son las bases más débiles; están son más estables. Mientras más fuerte sea la base, será menos estable.

La electronegatividad hace que una especie adquiere carga negativa con mayor facilidad, lo que da como resultado bases más estables. Los ácidos fuertes tienen sus bases conjugadas como bases débiles (estables).


La estabilidad de un anión también depende del tamaño de la especie, porque a mayor tamaño será más amplia la región en que se distribuye la carga y la estabilidad será mayor.

La estabilidad de una base también aumenta por el efecto de estabilización por resonancia, ya que la carga negativa estará distribuida entre varios átomos de la especie.

Buenos grupos salientes:
Tos-
I->Br->Cl-

Malos grupos salientes:
HO->NH2->OR-

Hay especies, como los alcoholes, que se pueden transformar a mejores grupos salientes.

Solventes:
Solventes polares apróticos: Disuelven cationes metálicos, pero no a los aniones; esto le da mayor nucleofilidad a los aniones. La energía del estado basal del nucleófilo y la velocidad de reacción será más rápida.

Solventes próticos: Solvatan al nucleófilo, formando una caja alrededor de él. Esto reduce la energía del estado basal del nucleófilo, haciendo que la velocidad de reacción sea más lenta.

SN1.- Son de primer orden, ya que dependen solo de la concentración del sustrato (unimoleculares). En estas reacciones se disocia el compuesto que contiene al sustrato y al grupo saliente. Este paso es el que determina la velocidad de reacción, ya que es el más lento. Como resultado de este paso se obtiene un carbocatión y un anión del grupo saliente. En el siguiente paso el carbocatión reacciona con el nucleófilo en un paso rápido en que se protona el nucleófilo. El producto se neutraliza cuando el nucleófilo recién protonado cede un protón al solvente.

Consideraciones para las reacciones SN1

Substrato:
Los carbocationes más estables son los mejores sustratos. Los carbocationes más estables serán los que tengan su carbono más sustituido, ya que estos son más estables por la estabilización por resonancia.

Grupo saliente:
Las mismas consideraciones que para las reacciones SN2. En las SN1 el agua puede ser un grupo saliente, también.

Nucleófilo:
No afecta el desempeño de las reacciones SN1, pero cuando no se desea una reacción de eliminación, el nucleófilo debe ser neutro.

Solventes:
Solvente polar aprótico: favorece el desempeño de la reacción SN1, pero no por la misma razón que la reacción SN2. La razón para este nuevo caso es que al solvatar los carbocationes se favorece formación del estado de transición. Como se reduce la energía de este estado de transición, la velocidad de reacción es más rápida.

sábado, 19 de noviembre de 2011

Propiedades físicas de los compuestos orgánicos

Puntos de ebullición

Dependen de las fuerzas de atracción intermoleculares.

Para las cadenas de alcanos, se consideran las fuerzas intermoleculares de Van der Waals. Para una serie homóloga de compuestos con diferentes pesos moleculares, a mayor peso molecular será mayor el punto de ebullición. Para compuestos con el mismo peso molecular, el más ramificado tendrá menor punto de ebullición. Esto se debe a que las ramificaciones reducen la superficie de contacto.

En compuestos con el mismo número de carbonos, el punto de ebullición será mayor para moléculas que tengan enlaces con momento dipolar (C-F,C-O,C-N,C-Cl, etc.), respecto a las que no lo tengan. Estos enlaces se conoces como dipolo-dipolo. Para series de compuestos con enlaces de este tipo, hay que tener en cuenta la magnitud del enlace.  Para distintos grupos funcionales, hay que tener en cuenta cuál tiene los enlaces más fuertes. El orden de mayor a menor fuerza es haluros de alquilos>alcoholes>aminas>éteres. Mientras más fuerte sea el enlace, mayor será el punto de ebullición.

Debido a los enlaces de momento dipolar se pueden formar puentes de hidrógeno. Este tipo de enlaces se forma con compuestos que tienen hidrógeno presente y un enlace polar. Los puentes de hidrógenos de los alcoholes son más fuertes que los de las aminas primarias y secundarias, debido a que el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno. Las aminas terciarias no pueden formar puentes de hidrógeno, ya que carecen de hidrógenos unidos al nitrógeno.

Puntos de fusión.

Dependen de las fuerzas de atracción intermoleculares y del empaquetamiento de la molécula.

Las cadenas de hidrocarburos con número par de carbonos presentan empaquetamiento mientras que las de número impar, no. Por esta razón a mayor peso molecular, mayor será el punto de fusión; pero las moléculas con número par de carbonos tendrán mayor punto de fusión que las de número impar.

Cuando dos cadenas tienen el mismo número de carbonos, la más ramificada tendrá menor punto de fusión debido a su dificultad de empaquetamiento. 

Solubilidad.

Para determinar qué tan soluble es un compuesto hay que ver si la molécula tiene mayor caracter polar, o mayor carácter no polar. El tamaño del grupo alquilo determina qué tan no polar es la molécula. Mientras más larga sea la cadena de carbonos, menos soluble será el compuesto en agua.

Los enlaces con momento dipolar que pueden formar enlaces de hidrógeno asignan el carácter polar a la molécula. Pero para ser solubles en agua deben tener bajo peso molecular en su cadena de carbonos.

jueves, 3 de noviembre de 2011

Nomenclatura de compuestos orgánicos.- Errores frecuentes.Compuestos "Iso"

Se propone la siguiente estructura al momento de graficar el compuesto orgánico:

4-isopropil-2,4,5-trimetilheptano






La estructura es incorrecta. El verdadero nombre de este compuesto sería:


2,4,5-trimetil-4-propilheptano


Nótese que para el orden alfabético se considera la “i” del isobutil y la “m” del dimetil.

La correcta estructura para el compuesto orgánico mencionado al principio sería la siguiente:



Para poder identificar a los sustituyentes “iso” tenga en cuenta que éstos siempre llevan un carbón terciario (de la forma CH).

Otro error, respecto a compuestos “iso”, es el siguiente:





Nombre
Explicación
Bromuro de isopropilo
Hay 4 carbonos.
Bromuro de isobutilo
Este es el nombre correcto


A continuación una confusión que suele ocurrir en compuestos abreviados con paréntesis:





También puede ser escrito así:


Pero es incorrecto escribirlo de la siguiente manera:



Nombre
Explicación
1,1,1-trimetilpropano


Hexano
La cadena más larga no es de 3 carbonos. 


Hay 6 carbonos pero no es un hexano. Tenga en cuenta que hay un carbón cuaternario (de la forma C)
Isohexano
Tampoco es un isohexano. Aquí hay un carbono cuarternario, no uno terciario.
2,2-dimetilbutano
Este es el nombre correcto.

Nomenclatura de compuestos orgánicos.- Errores frecuentes Éteres.



Nombre
Explicación
Éter etil metilo
Para los éteres la terminación en el segundo sustituyente es “-ílico”
Éter etil metílico
Este es el nombre correcto.




Nombre
Explicación:
Éter propil metílico
Se debe respetar el orden alfabético de los sustituyentes.
Éter metil propílico
Este es el nombre correcto

Nomenclatura de compuestos orgánicos.- Errores frecuentes Alcanos

En las tablas a continuación se enlistan algunos de los errores más frecuentes al momento de nombrar los siguientes compuestos orgánicos:


Nombre
Explicación
5,5,3-trimetilhexano
Errores:
Se debe enumerar los carbonos de tal manera que los números de los sustituyentes, respetando el orden alfabético, tengan los valores más bajos.
2-dimetil-4metilhexano
Errores:
Los números se deben escribir las veces que este presente el sustituyente.
Para este caso, se debe utilizar el prefijo tri- en lugar de di-
2,2,4-trimetilhexano
Esta es el nombre correcto.


  

Nombre
Explicación
2-metilpropil-3-propilpentano
Errores:
Suponiendo que la cadena más larga fuera de 5 carbonos, el propil está mal nombrado.

2-metil-2,3-dipropilpentano
Errores:
Como hay dos radicales propil, estos llevan el prefijo di- y se enlistan los números de sus posiciones separados por comas.
Pero la cadena más larga no es de 5 carbonos.

4-dimetil-3-propilheptano
Errores:
La cadena más larga no es de 7 carbonos.
Los números se deben escribir las veces que este presente el sustituyente.

4,4-dimetil-3-propilheptano
Errores:
La cadena más larga no es de 7 carbonos.

4,4-dimetil-5-etiloctano
Errores:
Para el orden alfabético no se debe considerar el prefijo di-.

5-etil-4,4-dimetiloctano
Errores:
En caso de que se obtengan los mismos números al ordenar por ambos lados, se debe dar prioridad al orden alfabético.

4-etil-5,5-dimetiloctano
Este es el nombre correcto



Nomenclatura de compuestos orgánicos.- Reglas.

Para la correcta nomenclatura de los compuestos orgánicos hay que tener en cuenta lo siguiente:

1)      Se debe definir al compuesto respecto a la cadena de carbonos más larga. La cadena más larga no siempre es la horizontal.
2)      Si hubiesen dos cadenas del mismo largo, se debe escoger la que tenga el mayor número de sustituyentes.
3)      Se debe enumerar los carbonos de tal manera que los números de los sustituyentes tengan los valores más bajos. Empiece a enumerar desde el extremo donde esté más cerca el sustituyente. En caso de obtener los mismos números desde ambos extremos, se debe dar prioridad al orden alfabético.
4)      Cuando haya tres sustituyentes, enumere los carbonos de tal manera que el sustituyente de en medio tenga el valor más bajo. 
5)      Para darle nombre al compuesto, nombre a los sustituyentes en orden alfabético precedidos de su respectivo número asignado y seguido de un guión.
6)      Si hubiera más de un sustituyente con el mismo nombre, se debe utilizar los prefijos di-, tri-, tetra-, etc. al momento de darle nombre al compuesto.
7)      En el nombre del compuesto los números se deben escribir las veces que este presente el sustituyente. Los números van separados por comas.
8) En el orden alfabético no se consideran los prefijos di-, tr-i, tetra-, etc. Tampoco se consideran los prefijos sec- y terc-. El único prefijo que se considera es el prefijo iso.