Rendimiento en reacciones acopladas

Regresar a [Estequiometría]

 Las reacciones que ocurren en secuencia para dar lugar a un producto final se denominan reacciones consecutivas. En este tipo de procesos, un reactivo inicial —por ejemplo, una sustancia A— se transforma primero en un intermediario B, el cual posteriormente reacciona para formar el producto final C. Se considera intermediario a toda especie que se forma en una etapa y se consume en otra dentro de un proceso multietapa. Finalmente, la ecuación química global que resume el conjunto de transformaciones en una sola expresión recibe el nombre de reacción general o reacción global.

Figura 1. [Gerty Theresa Cori] fue una bioquímica pionera en el estudio del metabolismo de carbohidratos. Junto con Carl Cori descubrió el ciclo de Cori, que explica cómo el lactato muscular se transforma nuevamente en glucosa en el hígado. También estudió el glucógeno. En 1947 recibió el Nobel de Medicina.

[Teorema del rendimiento de reacciones acopladas] Factor marcado Álgebra simbólica Demostraciones [Demostración del teorema del rendimiento en reacciones acopladas]. Parámetros y unidades comunes \(y\) rendimiento de la reacción, del inglés yield (adimensional) o (%); \(y_k\) rendimiento de la reacción parcial, del inglés yield (adimensional) o (%).

El teorema del rendimiento neto de una reacción global es, por tanto, bastante simple. Solo debemos tener en cuenta que los rendimientos deben expresarse como fracciones decimales y no como porcentajes antes de realizar cualquier cálculo. La dificultad aparece cuando se introducen variantes del problema, especialmente aquellas relacionadas con el propio concepto de reacción global.

La reacción global

Una reacción global o reacción encadenada se define como aquella en la que los productos de una etapa alimentan la siguiente reacción. Cuando esto ocurre, podemos expresar el proceso completo como una suma de ecuaciones químicas organizadas verticalmente, desde los reactivos iniciales hasta los productos finales. Para mantener la claridad del procedimiento, es importante que las flechas de reacción queden alineadas entre sí, de modo que sea fácil seguir la secuencia de transformaciones.

La propiedad más relevante de la suma de ecuaciones químicas es que los productos intermedios y los reactivos intermedios deben cancelarse mutuamente. De esta manera, la ecuación global queda expresada únicamente en función de los reactivos originales y los productos finales. Las sumas de ecuaciones químicas poseen otras propiedades importantes que iremos desarrollando en capítulos posteriores.

Miremos un ejemplo

Ejemplo 1.   Plantea la reacción neta de encadenar las reacciones (a) C + O₂ → CO₂; y (b) CO₂ + C → 2CO. Etapa analítica. La figura ilustra el procedimiento de suma de ecuaciones químicas mediante la combinación algebraica de sus números estequiométricos. (1) Aunque por tradición y elegancia suele omitirse el número estequiométrico 1 al escribir ecuaciones, durante la suma estos coeficientes se vuelven fundamentales, ya que permiten identificar correctamente qué especies deben sumarse y cuáles deben cancelarse. (2) La regla es sencilla: cuando una misma sustancia aparece en el mismo lado de reacción en varias ecuaciones, sus coeficientes se adicionan; (3) en cambio, cuando aparece como producto en una ecuación y como reactivo en otra, sus coeficientes se restan mediante una suma química. (4) En el ejemplo, el CO₂ posee coeficiente 1 como producto en la primera reacción y coeficiente 1 como reactivo en la segunda, por lo que se cancela completamente. Como resultado, únicamente permanecen los reactivos originales y los productos finales, obteniéndose la reacción global 2C + O₂ → 2CO. Este procedimiento permite eliminar las sustancias intermedias y representar el proceso químico completo mediante una única ecuación equivalente.

Miremos un ejemplo que involucra al rendimiento

Ejemplo 2.   Hallar la masa de alcohol etilico (C2H5OH) que se obtiene a partir de 1026 kg de maltosa (C₁₂H₂₂O₁₁), sabiendo que la eficiencia de la reacción es del 80% y el 60% en cada paso.  I) C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ (Hidrólisis) II) C₆H₁₂O₆ → C₂H₅OH + CO₂ (Fermentación) a) 300 kg b) 238 kg c) 325 kg d) 265 kg e) 525 kg Etapa analítica. Plantearemos la reacción global, debemos balancear la materia de las dos ecuaciones, teniendo en cuenta que la segunda debe acoplarse a la primera y por ende debe duplicarse. Sin embargo, los rendimientos al ser relativos no se afectan porque se necesite mas de un evento de reacción. Al ser una estequiometría masa a masa con rendimiento, usaremos la forma [3] [Teoremas de estequiometría básica] acoplada al [Teorema del rendimiento de reacciones acopladas]. Codificaremos la maltosa (C₁₂H₂₂O₁₁) como mlt, y al alcohol etílico (C₂H₅OH) como aetil Etapa numérica por factor marcado. Paso 0. Masas molares Por factor marcado se resuelve a pasos. Paso 1, calculamos la masa teórica del producto clave usando la ecuación neta. Paso 2, calculamos el rendimiento neto. Paso 3, calculamos la masa realista teniendo en cuenta el rendimiento La respuesta correcta es d Etapa numérica por álgebra simbólica. Paso 0. Masas molares Por factor álgebra simbólica podemos resolver tanto a pasos como con un teorema único. Por teorema único lo que hacemos es combinar los teoremas parciales. Paso 2, calculamos la masa teórica del producto clave usando la ecuación neta. La respuesta correcta es d

Importancia de las reacciones acopladas y sus rendimientos

El estudio de las reacciones acopladas reviste una importancia fundamental para la comprensión y el control de los procesos químicos complejos que ocurren tanto en sistemas naturales como en entornos sintéticos. En este tipo de procesos, múltiples transformaciones químicas se encuentran interconectadas, de modo que el progreso o la eficiencia de una reacción depende directamente de otra. Analizar estos sistemas requiere una comprensión detallada de la estequiometría, el rendimiento y la termodinámica de cada etapa, así como de las interacciones energéticas y materiales que las vinculan.

Figura 2. La [fermentación alcohólica] es una serie de reacciones acopladas donde microorganismos, como las levaduras, convierten azúcares en alcohol etílico y dióxido de carbono sin oxígeno. Inicia con la glucólisis, seguida de la conversión del piruvato en acetaldehído y su reducción a alcohol etílico. Este proceso es esencial en la producción de bebidas alcohólicas y productos fermentados.

La química de reacciones acopladas es esencial en la síntesis de compuestos avanzados, desde productos farmacéuticos hasta materiales funcionales de alta tecnología. Su estudio permite optimizar la eficiencia y la selectividad de los procesos, reducir la generación de desechos y avanzar hacia una química más sostenible. En el ámbito biológico, comprender cómo se acoplan las reacciones es clave para descifrar los mecanismos metabólicos que sustentan la vida, así como para identificar los desequilibrios energéticos que originan diversas enfermedades. La energía liberada o absorbida en estas transformaciones está directamente relacionada con el funcionamiento celular, la regulación metabólica y, en última instancia, la estabilidad de los organismos vivos.

Laglucólisis y la síntesis de ATP

Un ejemplo paradigmático de la relevancia de las reacciones acopladas es la glucólisis, un proceso metabólico esencial que convierte azúcares simples en energía aprovechable en forma de ATP. Este conjunto de diez reacciones interdependientes ilustra cómo la transferencia y el aprovechamiento de energía entre etapas determinan tanto la eficiencia global del proceso como la viabilidad celular. Su estudio no solo permite comprender la dinámica energética de la vida, sino también diseñar estrategias químicas y biotecnológicas inspiradas en la precisión y economía energética de los sistemas biológicos.

Figura 3. [La glucólisis] transforma una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato en el citoplasma. Primero consume ATP para activar la glucosa; luego la divide en moléculas de tres carbonos. Finalmente produce ATP y NADH. En ausencia de oxígeno, el piruvato puede convertirse en lactato para regenerar NAD⁺. 

Enfermedades metabólicas de reacciones acopladas

Las enfermedades metabólicas graves suelen originarse cuando las enzimas responsables de regular el rendimiento de las reacciones bioquímicas presentan defectos estructurales o funcionales de diversa magnitud. Las alteraciones genéticas que afectan a estas enzimas pueden perturbar rutas metabólicas esenciales, como la glucólisis, comprometiendo la capacidad de la célula para obtener energía de manera eficiente y sostenida.

Un ejemplo característico es la deficiencia de piruvato quinasa, una enzima clave en la etapa final de la glucólisis. Este trastorno hereditario, conocido como anemia hemolítica por deficiencia de piruvato quinasa (PKDHA), se transmite de forma autosómica recesiva y se manifiesta cuando los eritrocitos son incapaces de generar suficiente ATP durante la conversión de fosfoenolpiruvato a piruvato. Como resultado, los glóbulos rojos envejecen prematuramente y son destruidos en el torrente sanguíneo, lo que provoca síntomas característicos como fatiga, palidez y esplenomegalia.

Figura 4. [Fritz Albert Lipmann] fue un bioquímico clave en el estudio del ATP y la bioenergética. Demostró que el ATP funciona como moneda energética celular e introdujo el concepto de enlace de alta energía. También investigó la coenzima A, esencial en el metabolismo. Recibió el Nobel de Medicina en 1953 junto con Hans Krebs.

La comprensión de estos defectos enzimáticos no solo es esencial para el diagnóstico y tratamiento de la PKDHA, sino que también pone de relieve la relevancia central de la glucólisis en el mantenimiento de la homeostasis energética celular. En última instancia, estos casos demuestran cómo una única alteración molecular puede desencadenar consecuencias sistémicas profundas, recordando la delicada interdependencia entre la bioquímica celular y la salud del organismo en su conjunto.

Referencias

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2002). Molecular biology of the cell (4th ed.). Garland Science

Baeza Baeza, J. J., & García Álvarez-Coque, M. C. (2014). Extent of reaction balances. A convenient tool to study chemical equilibria.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Gatto, G. J. (2012). Biochemistry (7th ed.). W.H. Freeman and Company.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2015). Chemistry the Central Science.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry, the central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill New York.

Chang, R., & Overby, J. (2021). Chemistry (14th ed.). McGraw-Hill.

da Silva, D. J. (2017). The basis of the limiting reagent concept, its identification and applications. World Journal of Chemical Education, 5(1), 1-8.

Fattizzo, B., Cavallaro, F., Marcello, A. P. M. L., Vercellati, C., & Barcellini, W. (2022). Pyruvate kinase deficiency: current challenges and future prospects. Journal of Blood Medicine, 461-471.

García García, J. L. (2020). El álgebra de la estequiometría. Educación química, 31(1), 138-150.

García García, J. L. (2021). Hacia un equilibrio químico verdaderamente analítico. Educación química, 32(1), 133-146.

Garst, J. F. (1974). The extent of reaction as a unifying basis for stoichiometry in elementary chemistry. Journal of Chemical Education, 51(3), 194.

Ghanem, M., & Thomas, R. C. (2013). Cellular metabolism and energy production (1st ed.). Springer.

Kearney, J. D., & Paterson, P. H. (2015). Metabolic pathways and diseases (1st ed.). Academic Press.

Matamala, M., & González Tejerina, P. (1975). Química (1ª ed.). Bogotá: Ediciones Cultural.

Moretti, G. (2015). The “extent of reaction”: a powerful concept to study chemical transformations at the first-year general chemistry courses. Foundations of Chemistry, 17(2), 107-115.

Mousavi, A. (2019). Stoichiometry of equations through the Inverse de Donder relation. Chemistry Teacher International, 1(1), 20180006.

Nelson, D. L., Cox, M. M., & Lehninger, A. L. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th ed.). W.H. Freeman and Company.

Oruch, R. (2021). Management of pyruvate kinase deficiency: an updated review. Int J, 4(1), 592.

Schmitz, G. (2005). What is a reaction rate?. Journal of chemical education, 82(7), 1091.

Scrutton, M., & Shlomo, M. (2014). Enzyme mechanisms (2nd ed.). Oxford University Press.

Seager, S. L., Slabaugh, M. M., & Hansen, M. M. (2022). Chemistry for Today (10th ed.). Cengage Learning.

Smith, W. R., & Missen, R. W. (1979). What is chemical stoichiometry?. Chemical Engineering Education, 13(1), 26-32.

SOLAZ, J. J., & Quilez, J. (2001). Changes of extent of reaction in open chemical equilibria. Chemistry Education Research and Practice, 2(3), 303-312.

Stryer, L., Berg, J. M., & Tymoczko, J. L. (2015). Biochemistry (8th ed.). W.H. Freeman and Company.

Vandezande, J. E., Vander Griend, D. A., & DeKock, R. L. (2013). Reaction extrema: Extent of reaction in general chemistry. Journal of Chemical Education, 90(9), 1177-1179.

Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., DeCoste, D. J., & Adams, G. (2018). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning.