ESTRUCTURA MOLECULAR

HIBRIDACIÓN Y AROMATICIDAD

 

HASTA AHORA HEMOS SUPUESTO QUE LA HIBRIDACIÓN DE UN ÁTOMO DEPENDE DEL NÚMERO DE GRUPOS ELECTRÓNICOS QUE LO RODEAN:

2 GRUPOS = HIBRIDACIÓN sp

3 GRUPOS = HIBRIDACIÓN sp2

4 GRUPOS = HIBRIDACIÓN sp3

Sin embargo, esta regla general muestra excepciones. Quizás la más importante sea aquella que afecta a átomos con pares de electrones no compartidos que son vecinos de enlaces pi (insaturaciones).

Como caso particular de esta situación nos encontramos con las sustancias aromáticas.

¿Por qué razón átomos que deberían tener hibridación sp3 muestran hibridación sp2?

El motivo es que la disminución de energía conseguida por la conjugación (deslocalización) de los electrones supera el aumento de energía que pudiera producirse por factores estéricos al pasar de hibridación sp3 a sp2.

Dos ejemplos nos ayudarán a entenderlo:

Las aminas muestran un nitrógeno con hibridación sp3 porque, en relación con la hibridación sp2, está favorecida por una barrera de energía de aproximadamente 20 kJ/mol. Esa diferencia de energía libre supone una proporción de 4400:1 de las formas tertraédrica y plana triangular.

Las amidas, sin embargo, muestran un nitrógeno con hibridación sp2 porque el aumento de energía libre de 20 kJ/mol provocado por el cambio de hibridación sp3 a sp2 es compensado por la disminución de energía libre de 40 kJ/mol provocada por la conjugación del par de electrones no compartido del nitrógeno con el doble enlace del grupo carbonilo.

Otra manera de expresarlo sería decir que la geometría sp2 favorece el solapamiento con el enlace pi del grupo carbonilo. La geometría del orbital sp3 orienta el par de electrones de una forma que no favorece la conjugación.

La formación de un enlace parcial entre el C y el N tiene consecuencias observables: se impide la rotación libre del grupo amino de las amidas y el ataque de los ácidos sobre las amidas se realiza sobre el oxígeno y no sobre el nitrógeno. Esto último indica que el par de electrones no compartido está disponible en el oxígeno y no en el nitrógeno.

Esta disminución de energía libre del sistema que acompaña a la rehibridación se produce de manera mucho más intensa en las especies aromáticas, por eso, el pirrol y el furano lo son.

POR TANTO, DEBERÍAMOS ESTABLECER UNA REGLA GENERAL DE LA HIBRIDACIÓN QUE SEA APLICABLE A TODAS LAS ESPECIES QUÍMICAS, AROMÁTICAS O NO:

LA HIBRIDACIÓN DE LOS ÁTOMOS DE UNA ESPECIE QUÍMICA ES AQUELLA QUE LE CONFIERE LA MAYOR ESTABILIDAD

 

En el furano el oxígeno está rodeado de 4 grupos electrónicos (dos enlaces y dos pares de electrones no compartidos). Si le aplicarámos la regla general debería tener hibridación sp3, pero en ese caso, al ser un carbono tetraédrico la molécula de furano no podría ser plana y, en consecuencia, no podría ser aromática.

Realmente el furano es una moléula aromática, es decir plana, por lo que el átomo de oxígeno debe tener hibridación sp2 (plana, con ángulo 120º). Podemos entender que para conseguir la romaticidad, el oxígeno se rehibrida, pasando de sp3 a sp2, gracias a ello la molécula resultante es mucho más estable.

En el tetrahidrofurano (THF) el oxígeno cumple la regla general. Está rodeado de 4 grupos electrónicos y tiene hibridación sp3. ¿Por qué no hay rehibridación en el THF?. Porque la rehibridación del oxígeno no bastaría para conseguir la aromaticidad. Hay 4 átomos de carbono sp3 que lo impiden, la molécula nunca podría ser plana.

 
 
 

El átomo de N del pirrol está rodeado de 4 grupos electrónicos (tres enlaces simples y un par de electrones no compartido). Si aplicamos la regla general debería tener hibridación sp3, es decir, sería un átomo tetraédrico y la molécula de pirrol no podría ser plana ni, por tanto, aromática.

El pirrol es aromático, lo que indica que el átomo de N es plano, con hibridación sp2 (al igual que los 4 átomos de carbono de la molécula). Debemos entender que el N ha cambiado de hibridación para que la molécula resultante sea muy estable (aromática).

       


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