¿Cómo puedo predecir si se producirá una reacción entre dos (o más) sustancias cualesquiera?

Question

Soy nuevo en la química y me parece fascinante. Estoy tratando de aprender acerca de las reacciones químicas y me preguntaba si había una manera fácil de decir rápidamente si cualquier combinación de sustancias químicas produciría una reacción y qué producto (s) si alguno podría formarse.

Por ejemplo, si elijo dos sustancias cualesquiera al azar $\ce{A}$ y $\ce{B}$ ¿puedo determinar si se producirá una reacción y predecir los productos?

$$\ce{A + B -> \ ?}$$

Más concretamente, digamos que acabo de aprender que la lejía de cloro (hipoclorito sódico) puede fabricarse mediante una reacción de hidróxido sódico y cloro con cloruro sódico como subproducto:

$$\ce{NaOH(aq) + Cl2(g) -> NaOCl(aq) + NaCl(aq)}$$

¿Hay alguna forma de haber predicho esta reacción (y cualquier otra) antes de conocerla? No quiero memorizar el resultado de cada combinación para poder responder a preguntas sobre reacciones químicas. Espero que exista una pequeña lista de reglas sencillas que rijan todas las reacciones químicas, que pueda memorizar y aplicar a cualquier combinación de sustancias. También me gustaría poder desarrollar un programa informático sencillo construido en torno a un algoritmo para estas reglas de reactividad que pueda muestrear bases de datos de sustancias conocidas y predecir nuevas reacciones.

Answer 1

¿Puedo predecir los productos de cualquier reacción química?

En teoría, sí.

Cada sustancia tiene un comportamiento de reactividad característico. Del mismo modo, los pares y conjuntos de sustancias tienen un comportamiento característico. Por ejemplo, las siguientes combinaciones de sustancias sólo tienen un resultado probable cada una:

$$ \ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O} \\[2ex] \ce{CH3CH2CH2OH->[$ 1. $ (COCl)2, (CH3)2SO][$ 2. $ Et3N] CH3CH2CHO} $$

Sin embargo, no es un problema apto para la fuerza bruta o los enfoques exhaustivos

Hay millones o quizá miles de millones de sustancias conocidas o posibles. Tomemos la estimación más baja de 1 millón de sustancias. Hay $999\,999\,000\,000$ posibles combinaciones por pares. Cualquier método de fuerza bruta (en otras palabras, una base de datos que tenga una respuesta para todas las combinaciones posibles) sería grande y potencialmente prohibitivo para los recursos. Del mismo modo, no sería deseable memorizar los casi 1 billón de combinaciones.

Si se dan más sustancias, el espacio de combinación aumenta. En el segundo ejemplo de reacción anterior, hay cuatro sustancias combinadas: $\ce{CH3CH2CH2OH}$ , $\ce{(COCl)2}$ , $\ce{(CH3)2SO}$ y $\ce{Et3N}$ . Extrayendo cuatro sustancias al azar del espacio de sustancias se genera un espacio de reacción del orden de $1\times 10^{24}$ combinaciones posibles. Y eso sin tener en cuenta el orden de adición. En la segunda reacción anterior, hay un orden implícito de adición:

1. $\ce{CH3CH2CH2OH}$
2. $\ce{(COCl)2}$ , $\ce{(CH3)2SO}$
3. $\ce{Et3N}$

Sin embargo, existen $4!=24$ diferentes órdenes de adición para cuatro sustancias, algunas de las cuales podrían no generar el mismo resultado. Nuestro espacio de reacción es de hasta $24\times 10^{24}$ un número desconcertante de combinaciones. Y este espacio no incluye otras variables, como el tiempo, la temperatura, la irradiación, la agitación, la concentración, la presión, el control del entorno, etc. Si cada reacción del espacio pudiera almacenarse de algún modo en tan sólo 100 kB de memoria, todo el espacio de combinaciones hasta 4 sustancias requeriría $2.4 \times 10^{27}$ bytes de datos, o $2.4\times 10^7$ ZB (zettabytes) o $2.4\times 10^4$ trillones de terabytes. El total de datos digitales generados por la especie humana se estimó recientemente (nov. 2015) en 4,4 ZB. Necesitamos $5.5\times 10^5$ veces más datos en el mundo para albergar una base de datos de este tipo. Y eso sin contar el programa escrito para buscar en ella o los humanos necesarios para poblarla, el ancho de banda necesario para acceder a ella o la inversión de tiempo de cualquiera de estos pasos.

En la práctica, ¡puede ser manejable!

Aunque el espacio de reacción es desconcertantemente enorme, la química es un negocio ordenado y predecible. La gente del mundo de la síntesis total de productos naturales no recurre a combinaciones aleatorias ni a galimatías alquímicos. Pueden predecir con cierta certeza qué tipo de reacciones hacen qué a qué sustancias y, a continuación, actuar en función de esa predicción.

Cuando aprendemos química, nos enseñan a reconocer si una molécula pertenece a una determinada clase con un comportamiento característico. En el primer ejemplo anterior, podemos identificar $\ce{HCl}$ como ácido y $\ce{NaOH}$ como base y, a continuación, predecir un resultado común a todas las reacciones ácido-base. En el segundo ejemplo anterior, se nos enseña a reconocer $\ce{CH3CH2CH2OH}$ como alcohol primario y los reactivos dados como oxidante. El resultado es un aldehído.

Se trata de ejemplos sencillos en los que las moléculas encajan fácilmente en una clase predominantemente. Las moléculas más complejas pueden pertenecer a muchas categorías. La química orgánica denomina a estas categorías "Grupos funcionales" . La capacidad de predecir los resultados sintéticos comienza y termina con la identificación de los grupos funcionales dentro de la estructura de un compuesto. Por ejemplo, aunque el siguiente compuesto tiene una estructura más compleja, contiene un alcohol primario, que se oxidará a un aldehído utilizando los mismos reactivos presentados anteriormente. También podemos estar razonablemente seguros de que no se producirán reacciones secundarias desagradables.

Si los reactivos de la reacción anterior se hubieran $\ce{LiAlH4}$ seguido de $\ce{H3O+}$ entonces es posible más de un resultado, ya que reaccionará más de un grupo funcional del compuesto de partida. Controlar la reacción para obtener uno de los resultados posibles es posible, pero requiere una reflexión más cuidadosa.

Hay normas, pero no son pocas. Hay demasiadas clases de compuestos para enumerarlas aquí. Del mismo modo, incluso una clase, como los alcoholes primarios (un grupo hidroxilo al final de una cadena de hidrocarburos) tiene demasiadas reacciones características para enumerarlas aquí. Si hay 30 clases de compuestos (una subestimación) y 30 tipos de reacciones (una subestimación), entonces hay 900 tipos de reacciones (una subestimación). El número de tipos de reacción viables es más manejable que el espacio total de reacciones, pero seguiría siendo difícil memorizarlo rápidamente. Además, cada vez se descubren nuevos tipos de reacciones.

La gente que aprende a analizar combinaciones de compuestos pasa años haciendo cursos y leyendo libros y artículos de investigación para acumular los conocimientos y la sabiduría necesarios. Se puede hacer. Se pueden diseñar (y se han diseñado) programas informáticos para hacer el mismo análisis, pero fueron diseñados por personas que aprendieron todas las combinaciones características. No hay atajos.

Answer 2

La respuesta corta es NO.

No existe ninguna teoría completa capaz de predecir qué productos resultarán de la combinación de una serie de reactivos. Tenga en cuenta que los productos de una reacción química no sólo dependen de los reactivos, sino también de la temperatura, la presión, el catalizador presente y otros factores.

Es difícil encontrar un libro de química que intente describir un modelo predictivo.

Debido a esta enorme laguna en el conocimiento científico, lo mejor es probar empíricamente lo que ocurre cuando se juntan reactantes en determinadas condiciones y luego encontrar similitudes cuando se utilizan diferentes reactantes del mismo tipo general.

Por ejemplo, si empíricamente se establece que:

$$\ce{CH2=CH2 + HCl -> CH3CH2Cl}\\ \text{and}$$

$$\ce{CH3CH=CH2 + HCl -> CH3CH2CH2Cl}$$

Podrías predecir que en cualquier reacción del tipo RCH=CH2 + HCl se encontrará el siguiente tipo de producto: RCH2CH2Cl

Ésta es una de las razones por las que los libros de Química Orgánica son tan gruesos. Dado que hay muchos tipos de sustancias, se agrupan como miembros de una familia que se sabe que reaccionan de una determinada manera en determinadas condiciones.

El poder predictivo de este método es bastante débil, ya que sólo se aplica a un conjunto muy reducido de circunstancias, pero hoy en día no existe un sistema mejor.

Answer 3

Creo que en el ámbito de las reacciones químicas basadas en los radicales (también conocida como química radical) es apropiada una respuesta posiblemente diferente. La respuesta es, en un contexto selecto, probablemente sí, basándose en resultados combinatorios intuitivos con una distribución de productos característicamente probabilística.

En primer lugar, hay que señalar que las reacciones radicales se representan mejor con las correspondientes velocidades de reacción directa e inversa que, como mínimo, dependen de la temperatura. Como tales, las reacciones de radical sobre radical se escriben a menudo con el signo "=", dada la mayor facilidad de reversibilidad.

He aquí un ejemplo concreto en el que un enfoque combinatorio simple es realmente preciso en el sistema de reacción en torno al radical monóxido de cloro ( $\ce{•ClO}$ ) que provocan el agotamiento de la capa de ozono. El posible conjunto de reacciones radicales incluye en una fuente por ejemplo:

$\ce{•ClO + •ClO = ClOOCl}$

$\ce{ClOOCl + hv -> •Cl + •ClOO}$

$\ce{•ClOO = •Cl + O2}$

$\ce{•OCl + •OCl = •OClO + •Cl}$

Y yo añadiría:

$\ce{•Cl + •Cl = Cl2}$

donde es evidente que un simple enfoque combinatorio probablemente enumeraría las posibles reacciones. Sin embargo, no se espera que todas las reacciones radicales se observen en la misma proporción (por lo que surgirá una interesante distribución estadística de productos).