Desplazamientos electrónicos en enlaces covalentes

Introducción a los desplazamientos electrónicos en enlaces covalentes

Enlaces covalentes: se encuentran en la mayoría de las moléculas que encontramos a diario, desde los alimentos que comemos hasta el aire que respiramos y la tela de nuestra ropa. Los enlaces covalentes son enlaces químicos entre átomos donde los electrones son compartidos por cada átomo, en lugar de transferirse de un átomo a otro, como en un enlace iónico. Pero no todos los átomos comparten electrones por igual, de hecho, ¡la química sería un tema muy aburrido si ese fuera el caso! En realidad, los átomos pueden tomar más de su parte «justa» de electrones, incluso en un enlace covalente, lo que conduce a una variedad de desplazamientos electrónicos. Un desplazamiento electrónico ocurre cuando los electrones se mueven hacia un lado o parte de una molécula. Los desplazamientos electrónicos a menudo son responsables de la reactividad química de algunas moléculas y de la relativa inercia de otras.

Hay cuatro tipos diferentes de desplazamientos electrónicos a considerar:

• Efectos inductivos
• Resonancia
• Hiperconjugación
• Efectos electroméricos

Efectos inductivos

Considere la molécula de fluoruro de hidrógeno (HF). El flúor (F) está cerca de la esquina superior derecha de la tabla periódica, donde encontramos los elementos más electronegativos, es decir, elementos que son buenos para atraer electrones hacia sí mismos a partir de un enlace químico covalente. El hidrógeno (H) está en el lado izquierdo y es menos electronegativo.

Estructura de Lewis para el fluoruro de hidrógeno (HF).

La capacidad del flúor para atraer parte de la carga covalente (electrones) hacia sí mismo se denomina efecto inductivo . Todos los elementos tienen cierto grado de capacidad inductiva, pero los elementos más electronegativos son los más «hábiles» en este sentido.

Resonancia

En algunos enlaces covalentes, hay más de un par de electrones compartidos. Por ejemplo, la molécula de benceno (C 6 H 6 ) tiene tres enlaces dobles y tres enlaces sencillos, o eso parece:

En cada estructura de benceno, hay un átomo de carbono en cada una de las seis esquinas del hexágono, cada uno de los cuales está unido a otros dos carbonos y un átomo de hidrógeno.

Las dos estructuras de la izquierda y la derecha no son del todo correctas. Técnicamente, la mejor representación del benceno se parece más a una mezcla entre las dos estructuras. En lugar de tres enlaces dobles y dos enlaces simples, realmente tenemos seis «enlaces 1,5». Lo indicamos usando un círculo en lugar de dobles enlaces individuales:

Estructura de resonancia del benceno.

Múltiples estructuras equivalentes de la misma molécula que solo se diferencian por el movimiento de electrones se denominan estructuras de resonancia . Todavía seguimos las reglas para dibujar estructuras de Lewis al dibujar estructuras de resonancia. Por ejemplo, un átomo de C nunca puede tener cinco enlaces químicos; esto sería romper la regla del octeto.

Los seis electrones que forman los enlaces «medios» adicionales están en realidad esparcidos por todo el anillo de benceno, porque ocupan orbitales p vacantes centrados en cada átomo de C. La molécula de benceno tiene una serie de enlaces pi , que resultan de la superposición « lateral » de los orbitales p (para mayor claridad, no se muestran los átomos de H):

Deslocalización de electrones por resonancia en la molécula de benceno (hexágono negro con átomo de C en cada vértice). Los orbitales p se superponen a lo largo de su longitud, lo que permite que los electrones (rojo) se extiendan por encima y por debajo del anillo.

Esta mancha o deslocalización de los electrones hace que la molécula de benceno sea relativamente poco reactiva con la mayoría de las sustancias químicas. Cuando miramos una estructura de resonancia simple de una molécula como el benceno, vemos enlaces simples y dobles alternados. La deslocalización es más favorable para moléculas con estructuras de resonancia que tienen este patrón alterno. Los enlaces simples (sigma) son el resultado de la superposición frontal de los orbitales de enlace. Todos los átomos de C en el benceno están conectados por un enlace sigma y un enlace pi.

Hiperconjugación

La hiperconjugación es la superposición de orbitales p vacíos o parcialmente llenos con electrones de un enlace sigma. La hiperconjugación no conduce a un enlace químico real, pero estabiliza las moléculas y los iones moleculares porque, al igual que para el enlace pi, la eliminación de los electrones cargados conduce a una especie más estable.

Esto es especialmente cierto para los iones, que ya tienen carga. Por ejemplo, considere el catión de etilo:

Hiperconjugación en el catión etilo (C 2 H 5 + ). Al átomo de C de la derecha le falta densidad electrónica en su orbital p vacío. Sin embargo, dos de los enlaces sigma CH en el átomo de C izquierdo (azul) están correctamente orientados para donar densidad de electrones, estabilizando el ion.

Los electrones que forman enlaces sigma pasan la mayor parte de su tiempo haciendo su trabajo como enlace químico. Sin embargo, ocasionalmente migran hacia la carga positiva, atenuando efectivamente esa carga en un pequeño grado y haciendo que el ion sea más estable de lo que sería sin hiperconjugación.

Efectos electroméricos

Los efectos electroméricos son temporales, ya que solo ocurren durante reacciones químicas.

Los electrones pueden «chapotear», incluso si están participando en enlaces químicos. Ya vimos esto para efectos inductivos, resonancia e hiperconjugación. Un efecto electromérico ocurre cuando los electrones involucrados en los enlaces pi se transfieren de un átomo a otro. Los efectos electroméricos son temporales y ocurren cuando una especie electronegativa, como el ión hidróxido, ataca a una electropositiva, como el átomo de C central en la molécula de acetona.

El átomo de C central está parcialmente cargado positivamente porque el átomo de O unido a él atrae electrones hacia sí mismo de manera inductiva. Como resultado, el átomo de C es un objetivo tentador para el ion hidróxido:

Efecto electromérico. El ion hidróxido electronegativo que ataca un átomo de C electropositivo en la molécula de acetona. El enlace pi entre este átomo de C y el átomo de O se disloca en el átomo de O cuando el OH se une químicamente al átomo de C.

C solo puede tener cuatro enlaces, por lo que los electrones del doble enlace se desplazan hacia el átomo de O. Lo que sucede al lado de nuestro ion recién formado depende de las condiciones involucradas, pero es posible que el OH – sea ​​»expulsado» de la molécula nuevamente – invirtiendo la reacción y regenerando la molécula de acetona.

Resumen de la lección

Hemos investigado los cuatro tipos diferentes de desplazamientos electrónicos en enlaces covalentes de moléculas, que son:

• Efectos inductivos
• Resonancia
• Hiperconjugación
• Efectos electroméricos

Los efectos inductivos se deben a elementos electronegativos que atraen electrones de enlace covalente hacia sí mismos. La resonancia describe la verdadera estructura de una molécula como un híbrido de estructuras de Lewis covalentes, de modo que los electrones cargados se distribuyen de manera más uniforme por toda la molécula o ión. La hiperconjugación estabiliza las moléculas mediante la superposición de enlaces sigma con orbitales p. Por último, los efectos electroméricos ocurren durante las reacciones químicas y surgen del desplazamiento de electrones de un doble enlace a un átomo.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador