Quimica de los radicales libres y aplicaciones medicas
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Q.f. Kleiber Enrique Quispe Quito
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Q.f. Kleiber Enrique Quispe Quito
CONCEPTO DE RADICAL LIBRE
Es un átomo o grupo de átomos que contiene un electrón desapareado
dentro de su estructura.
El tiempo de vida media es menor de 1 μseg.
Durante las transformaciones químicas se rompe alguno de los enlaces de
la molécula y da lugar a la formación momentánea de especies
intermediarias inestables.
Se pueden formar diferentes intermediarios, dependiendo de cómo se
rompe el enlace: ruptura heterolítica y ruptura homolítica
Catión
Pierde un electrón
Anión
Gana un electrón
¿Cómo se genera un radical libre?
Se forma cuando un enlace se fragmenta homolíticamente, para lo cual
se debe suministrar la suficiente energía para disociar el enlace.
Existen cuatro maneras de suministrar dicha energía: térmica,
fotoquímica, radioquímica y por una reacción de Oxidorreducción.
1- Térmica
Para lograr romper la mayor parte de los enlaces covalentes y obtener
radicales libres, es necesario exponerlo a temperaturas mayores a 800 °C.
Se puede decir que para que una reacción sea práctica experimentalmente
debería realizarse al menos por debajo de los 200 °C.
Existen algunos enlaces covalentes muy específicos que se disocian dentro
de este rango de energías (30 a 40 kcal/mol).
2- Fotoquímica
La energía de la luz de una longitud de onda entre 600 y 300 nm es de
aproximadamente 48 a 96 kcal/mol.
Este rango de energía cae en la región de la luz ultravioleta, por lo que se
puede utilizar irradiación de esta frecuencia para fragmentar ciertos
enlaces y generar radicales libres.
3- Oxidorreducción
Una reacción de oxidación o reducción puede generar radicales mediante la
transferencia de un solo electrón.
En una primera etapa, la transferencia de un electrón produce un radical
cargado, es decir, radicales cationes [R-X]+• o radicales aniones [R-X]•-
En una segunda etapa, la formación de radicales libres se produce por la
presencia de Fe (II)y Cu (I)
El peróxido reduce al hierro (II)
Radical anión
Radical alcoxicarbonilo Radical alcóxido
4- Radioquímica
La radiación gama (γ) incide sobre una sustancia orgánica, induce
fragmentación de enlaces, que generalmente producen radicales libres.
RADIACIÓN
Radiación no
Ionizante
Radiación
Ionizante
Campos
electromagnéticos
Radiaciones
ópticas
Rayos láser
Radiación solar
Rayos
infrarrojos
Luz visible
Radiación
ultravioleta
UVA
UVB
UVC
320-400 nm (relativamente
inofensiva)
280-320 nm (relativamente
letal)
< 290 nm (letal)
Alfa
Beta
Gama
Carga +
(poco penetrante)
Carga -
(penetrante)
Carga +
(poco penetrante)
ESTRUCTURA QUÍMICA DEL RADICAL LIBRE
Los radicales libres se representan colocando un punto sobre el símbolo del
átomo o grupo de átomos donde se encuentra el electrón desapareado.
¿Cómo es realmente un radical libre?
¿Cómo es la estructura real de estas especies?
¿Cuál es la imagen asociada a la fórmula que
se escribe en el cuaderno o que se ve en un
libro cuando se representa un radical libre?
Como ejemplo, se analizará la configuración del átomo de carbono cuando se
encuentra como radical libre, observando que tiene siete electrones en su capa
de valencia con sólo tres sustituyentes
La formación eficaz de radicales en
estructuras rígidas como los biciclos.
También se pueden generar radicales en
dobles y triples ligaduras, en los cuales
el electrón desapareado está, ya sea en
un orbital sp2 o sp, según sea el caso.
ESTABILIDAD TERMODINÁMICA DEL RADICAL LIBRE
Existen principalmente dos efectos que determinan la estabilidad
termodinámica de un intermediario reactivo (catión, anión o radical libre)
1- Efectos polares o inductivos:
2- Efectos de resonancia o conjugación:
Están determinados por la diferencia de
electronegatividad entre los átomos que
forman un enlace
Se observan cuando existe la
posibilidad del traslape del
orbital del átomo donde se
localiza la especie reactiva con
otro orbital de un átomo vecino.
CARÁCTER NEUTRO DE LOS RADICALES LIBRES
Neutro significa que tienen el mismo número de protones que de
electrones.
Esta característica le da una serie de propiedades químicas únicas, entre las
más importantes que se pueden mencionar están:
1- Un radical puede reaccionar con otro
radical.
2- Un radical no se ve afectado por su
ambiente.
3- Un radical no reacciona con hidrógenos
ácidos ni con heteroátomos con pares de
electrones no compartidos
4- Un carbocatión no reacciona con otro carbocatión, asi mismo los
mencionados reaccionan con hidrógenos ácidos.
5- Los radicales no se solvatan, por lo que son entidades puntuales.
6- En las reacciones vía radicales libres no son necesarias protecciones de
grupos funcionales.
7- La electronegatividad de los grupos funcionales vecinos afecta la
reactividad de un radical, pero no su estabilidad.
MECANISMO EN CADENA : RADICALES LIBRES
Un mecanismo en cadena es aquel en el cual se genera más de una
molécula de producto por cada evento de inicio.
Una reacción en cadena se compone de tres etapas principalmente:
inicio, propagación y terminación.
Para esquematizar este mecanismo se tomará como
ejemplo la reacción de halogenación del metano (CH4).
ETAPA DE INICIO
Se generan los primeros radicales libres a partir de moléculas estables.
El inicio puede ser inducido por cualquiera de las formas mencionadas
antes: térmica, fotoquímica, radioquímica o por oxidorreducción.
Bromación del metano
ETAPA DE PROPAGACIÓN
En estas reacciones, un nuevo radical se genera a expensas de otro, de tal
manera que no se pierde en ningún momento el carácter radical y el
proceso continúa.
Bromación del metano
ETAPA DE TERMINACIÓN
Mediante estas reacciones se consumen radicales y no se generan nuevos
radicales, por lo que se pierde el carácter radical en el proceso
Bromación del metano
REACCIONES ELEMENTALES: RADICAL LIBRE
DIMERIZACIÓN
En esta reacción, dos radicales idénticos reaccionan entre ellos
generando un nuevo enlace por la combinación de los dos electrones
desapareados.
Con estas reacciones sólo se pueden generar compuestos simétricos.
DESPROPORCIÓN
En este proceso dos radicales reaccionan para generar un alcano y una
olefina.
En realidad sucede que uno de los radicales abstrae un hidrógeno del carbono
vecino al carbono radical de otro radical.
El radical que abstrae el átomo de hidrógeno se reduce, y el que lo pierde se
oxida.
ADICIÓN A DOBLES LIGADURAS
En esta reacción se genera un enlace carbono-carbono.
El proceso es termodinámicamente favorecido cuando el radical se
adiciona a un enlace carbono-carbono, ya que se forma un enlace sigma a
expensas de un enlace pi más débil.
ABSTRACCIÓN
En la mayor parte de los casos, esta reacción sucede cuando la energía de
disociación del enlace que se rompe es menor a la del enlace que se forma.
Las dos reacciones de propagación de la halogenación del metano son dos
ejemplos típicos de este tipo de reacción.
Los radicales centrados sobre heteroátomos reaccionan abstrayendo
hidrógenos de las moléculas de su alrededor.
TRANSPOSICIÓN
La transposición 1,5 de un radical es una reacción característica de los
radicales libres.
En esta reacción el radical migra cinco posiciones a través de una
abstracción de un hidrógeno.
Cabe mencionar que las transposiciones 1,2 también pueden ocurrir; sin
embargo, no son muy comunes.
β-FRAGMENTACIÓN
Las β-fragmentaciones de radicales libres son procesos muy importantes en
los procesos biológicos, ya que a través de ellos se degradan una variedad de
moléculas.
Esta reacción cobra importancia cuando el enlace que se forma es más fuerte
al enlace que se rompe, o bien cuando a través de una fragmentación se
generan radicales más estables que los de partida.
OXIDACIÓN
Algunos metales oxidantes como el Fe (III) o Cu (II) pueden oxidar al
radical, abstrayendo el electrón convirtiéndolo en un carbocatión (R+).
En una secuencia de reacciones este carbocatión puede reaccionar con un
nucleófilo y generar productos de naturaleza variada (R-Nu).
REDUCCIÓN
Cuando un radical gana un electrón, se dice que se reduce y forma un
carbanión (R-).
El electrón normalmente proviene de un metal de transición.
Como se puede anticipar, las reacciones de oxidación y de reducción son
muy importantes, ya que en un solo proceso se puede combinar la química
de los radicales libres con la química iónica.
APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE RADICALES
LIBRES
POLIMERIZACIÓN
Fue uno de los adelantos tecnológicos más importantes durante el siglo XX.
En la actualidad se producen un 75% de polímeros a través de una reacción
de polimerización vía radicales libres.
Los polímeros más comunes que se producen mediante una reacción radical
son:
En la figura 1-22 se describe el mecanismo mediante el cual transcurre la
reacción de polimerización del estireno.
REACCIÓN DE FENTON
Es una de las reacciones de oxidación más poderosas que se han
descubierto hasta ahora.
Esta reacción se utiliza para degradar una variedad de desechos industriales
que contienen compuestos orgánicos tóxicos.
La reacción implica la oxidación de Fe (II) a Fe (III) mediada por peróxido
de hidrógeno.
SÍNTESIS ORGÁNICA
La adición de un radical a una doble o triple ligadura genera un enlace carbono-
carbono, lo cual, se puede formar más de un enlace en una sola operación
sintética.
REFERENCIAS
Carey FA, Soundberg RJ: Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and
Mechanisms. London: Plenum Press, 1990.
Curran DP, Porter NA, Giese B: Stereochemistry of Radical Reactions. VCH,
Weinheim, 1996.
Fossey J, Lefort D, Sorba J: Free Radicals in Organic Synthesis, Paris,
Ed.Wiley, 1995.
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Huang RL, Goh SH, Ong SH: The Chemistry of Free Radicals. London,
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March J: Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms and
Structure, 4th ed. New York:Wiley-Interscience, 1992.
Motherwell WB, Crich D: Free Radical Chain Reactions in Organic
Synthesis. New York: Academic Press, 1992.
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University Press, 1979.
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Samir Z, Zard R: Radical Reactions in Organic Synthesis. Oxford Chemistry
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