Por: Abelardo Prada Matiz Ing Qco, Profesor Unillanos.
4. EL CARBONO
.
Ya habamos planteado que la qumica orgnica es considerada la
qumica del carbono. Por esta razn en este captulo nos encargaremos
de reconocer el carbono como elemento, su estructura, configuracin,
formacin enlaces, etc. de manera que sea posible comprender su
conducta qumica y la de los compuestos que forma, cuyo nmero es
suficientemente elevado, a pesar que el carbono no es elemento con
mayor 1 presencia en la naturaleza.
LA CONFIGURACIN Para comprender la conducta del ELECTRONICA.
carbono uy ude ulas usustancias uqumicas uque uel uforma, ues
unecesario uanalizar usuconfiguracin electrnica: la lectura
espectral, que se encuentra en cualquier texto de 2 2 2 qumica
general moderna, nos indica: 1s2s2p. De la lectura espectral o
configuracin electrnica se extrae que el carbono est bicado en el
grupo 4A de la tabla peridica (suma de los electrones en el nivel
superior - 2 electrones 2s mas 2 electrones 2p), por tanto ocupa
una posicin intermedia que hace suponer que pueda formar (el
carbono) compuestos con elementos electropositivos (metales
alcalinos y alcalinotrreos grupos 1A y 2A) y con elementos
electronegativos (oxgeno, nitrgeno y halgenos grupos 5A, 6A y 7A).
La lectura espectral indica, adems, que el carbono posee seis
electrones en los niveles energticos 1 y 2, distribuidos as: dos
electrones en el nivel 1s, dos en el subnivel 2s y otros dos en el
subnivel 2p. Los cuatro ltimos electrones pertenecen al nivel
energtico superior, el nivel 2. Los electrones en los subniveles se
encuentran (se encajan) en orbitales electrones 2s y 2p,
comprendidos como aquellos espacios, dentro del tomo, donde existe
la mayor probabilidad de encontrar a los electrones en cercana del
ncleo. En consecuencia, en el tomo de carbono nos encontramos con 2
electrones en el orbital 2s y 2 electrones en el orbital 2p, esto
es que en los subniveles externos 2s se encuentran 4 electrones en
total. y 2p Esta ltima consideracin es muy importante, puesto que
para precisar los valores de la valencia del carbono los cuatro
electrones del nivel 2 son definitivos, en razn que son los
electrones de este nivel los que el carbono puede ceder, compartir
o acomodar con cuatro electrones de otro elemento cuando recibe
electrones. Puesto que son cuatro los electrones que el carbono,
cede, comparte o recibe y que este es su comportamiento en la
mayora de los compuestos que forma, la valencia es igual a cuatro -
4. Este valor se presenta en el bixido de carbono COu-, en el
metano 2 CH4 y en el carburo de calcio - CaC. La excepcin es el
monxido de carbono CO-, 2 en el que el carbono es bivalente.
4.1
1
Por encima del carbono se encuentran el nitrgeno, oxgeno y otros
pocos elementos.
Esta situacin excepcional puede ser comprendida si se recurre a
la siguiente 2 2 reflexin: para ello representemos la configuracin
electrnica del carbono - 2 1s2s2pu 2 por intermedio de casillas
cunticas , de conformidad con sus niveles y subniveles energticos,
veamos (Fig 1): p 2 1 Electrones de valencia
Fig. 1 Representacin Grfica de la Configuracin electrnica del
tomo de carbono. Estado Basal. Donde: s y p orbitales electrnicos.
1 y 2 niveles energticos. - electrones.
Partiendo de la concepcin que la casilla cuntica es la
representacin grfica de los orbitales electrnicos a la que se le
adjudican todas las propiedades del orbital, tendramos que (Fig.2)
en el nivel 2 del tomo de carbono, en el orbital 2s habra 2
electrones, mientras que en los 3 orbitales 2p slo habra dos
electrones, los que 3 atendiendo las reglas de llenado, se ubicaran
de a uno (desapareados) por orbital, quedando un tercer orbital
vaco. Retomemos, de nuevo, el anlisis de la valencia del carbono.
Con base el estado basal de la Fig.1, la valencia del carbono sera
igual a 2, puesto que tiene dos electrones no apareados en dos
orbitales 2s. Este sera el caso que corresponde al CO que se 2 2
confirma revisando la configuracin electrnica del oxgeno: 1s2s2p4
(Fig. 2): Con base en las Fig. 1 y 2 se puede concebir la
posibilidad que los electrones de valencia (no pareados) del
carbono se apareen con los electrones de valencia del oxgeno para
formar enlaces en la molcula del CO. p 2 1Electrones de
valencia
Fig. 2 Representacin Grfica de Configuracin electrnica del tomo
de oxgeno 1s 22s 2 4 2p
la
2
La casilla cuntica es una representacin grfica de los orbitales
electrnicos a la que se le otorga todas las caractersticas y
propiedades de stos.3
Se hace referencia a las reglas que con base en la mecnica
cuntica se establecen para los orbitales. Segn estas reglas, los
electrones de un nivel o subnivel van llenando los orbitales de uno
en para luego si iniciar el apareamiento. De igual manera se
establece que un orbital puede encajar uno 0 (orbital vaco), 1
mximo 2 electrones (orbital lleno).
Sin embargo, la configuracin representada en la Fig.1 no permite
interpretar el compartimiento del carbono en la molcula CO. En este
caso al carbono le hara falta 2 dos electrones de valencia para
unirse al tomo de oxgeno adicional,Igual situacin se presenta con
la molcula del metano CH, puesto que al carbono le haran falta 2 4
electrones para unirse a dos tomos de Hidrgeno de los 4 que esta
molcula posee. Significa, entonces, que el estado basal,
representado en la Fig.2 slo satisface, a plenitud, las necesidades
del tomo de carbono. Como explicarse, entonces, que el tomo de
carbono en el metano, en el bixido de carbono y, comnmente, en
todos los compuestos orgnicos, presente 4 electrones de valencia y
no slo 2 como en el estado basal? La respuesta la encontramos de
nuevo en la configuracin electrnica. Observemos una vez ms la Fig
1. Para lograr que el carbono adquiera 4 electrones de valencia,
bastara con desaparear uno de los 2 electrones 2s que el carbono
posee en el nivel 2, de manera que el electrn desapareado se ubique
en el orbital 2p vaco. Si esto fuese posible, el carbono adquirira
4 electrones desapareados, (de valencia) en el nivel energtico
superior. Para ello se requiere comunicar, transmitir la cantidad
de energa necesaria para que el electrn pase del orbital2s al 2p,
de conformidad con la Fig.3.
p
Electrones de Valencia
p
2 1Electrones de valencia
+E
2 1
Estado de excitacinFig 3. Paso del estado basal al estado
excitado del tomo de carbono
La nica limitante que podra existir para que un electrn 2s pase
al subnivel siguiente - 2p, dentro del mismo nivel, en el tomo de
carbono, tendra relacin con la diferencia entre los valores
energticos entre subniveles, es decir, entre los subniveles
2s y2p. Los estudios en la materia han demostrado que las
diferencias son 4mnimas por tanto el paso de un electrn 2s al
subnivel 2p es completamente posible en condiciones reales. Esto
explica la abundancia de sustancias qumicas en las que el carbono
se presenta como tetravalente, es decir se presenta en su estado
excitado, puesto que la magnitud la energa (+E en la Fig.3) que hay
que incorporarle al tomo para llevarlo del estado basal al estado
de excitacin es baja, en tal proporcin que encontrar al tomo de
carbono en su estado de excitacin es algo comn y corriente, por
ende, en adelante, la configuracin electrnica del estado de
excitacin es la que se tendr en cuenta para los anlisis
posteriores.
LOS ENLACES QUIMICOS DEL De conformidad con lo que
CARBONO.presenta, en sustancias orgnicas, enlaces con otros tomos
de se enunci, el carbonocarbono, con el hidrgeno y con los as
denominados heterotomos: oxgeno, nitrgeno, fsforo, azufre y los
halgenos. En todos estos enlaces en carbono es tetravalente, esto
es, que aporta cuatro electrones (electrones de valencia) para
formar enlaces qumicos, de conformidad con el anlisis que se
hiciera en el literal anterior. Nos ocupar, a continuacin, analizar
la naturaleza y caractersticas de los enlaces carbono-carbono,
carbono- hidrgeno y carbono heterotomo. Para tal fin, se hace
necesario recordar ciertos elementos de la teora del enlace qumico,
correspondientes a la asignatura de qumica general.
4.2
TIPOS lDE lENLACE 4.2.1 . Los postulados bsicos hablan de la
inic covalent . lQUIMICO existencia de dos tipos de enlaces
qumicos: el enlace y el enlace4.2.1.1 El enlace . En la formacin
delenlace lo fundamental es inico inico que un elemento
(electronegativo, por lo general) recibe electrones de otro
elemento (electropositivo). El ejemplo clsico es el de la formacin
de enlace inico en la 2 1 1 molcula del fluoruro de Litio,- LiF. El
Litio (1s2s) le cede el electrn 2s al Flor 2 2 5 (1s2s2p). Al
observar el proceso nos daremos cuenta que: a.uEl litio al ceder al
flor su electrn 1 adquiere, en la prctica la configuracin 2s 1s2que
es la configuracin del He, gas noble y qumicamente inocuo. 2 2 6
b.uEl flor al aceptar el electrn del Litio adquiere la configuracin
1s2s2p que es la configuracin del Nen, igualmente gas noble y
qumicamente inerte.1 En conclusin, en el proceso de donacin
recepcin de un electrn 2s entre el Flor y el Litio, los dos tomos
adquieren configuraciones estables, anlogas a la de los gases
nobles vecinos. Este hecho debe generar ventajas para los tomos de
manera aislada, puesto que con facilidad realizan la interaccin.
usntesis usucede u n En proceso de ionizacin el Litio se convierte
en un ion con carga positivo al entregar un electrn y el flor en
ion negativo al aceptar un electrn. Esquemticamente el proceso se
puede representar as:
o
e
4
Karapetiants M.J y Drakin S.I .Estructura de la Sustancia. Ed.
MIR, Moscu. 1974. Traduccin al espaol
Li 1e Li F + 1e
+ -
(Li)+(F)-
LiF
F
Es lgico suponer que los iones componentes del fluoruro de
litio, por su esencia de partculas elctricas, se cohesionarn uno al
otro, lo que le imprimir fortaleza al enlace, por su naturaleza se
disolvern en solventes polares y con relativa facilidad cambiarn de
componentes con otras sustancias inicas lo que har que las
reacciones de este tipo sean suficientemente rpidas. 4.2.1.2 El
enlace A diferencia del enlace inico, el enlace covalente se forma
nocovalente. de electrones de un elemento a otro, si no por
compartimiento por cesin de electrones entre los tomos
comprometidos con la formacin del enlace. El compartimiento de
electrones slo puede ser equitativo si el enlace es formado por
tomos iguales, del mismo elemento. Cuando los tomos que forman el
enlace son diferentes, el enlace suele presentar polaridad, en
dependencia de la magnitud de la electronegatividad de cada uno de
los tomos del enlace. El hecho que los tomos del enlace compartan
electrones y que los electrones se encuentren en orbitales, hace
suponer que los orbitales deben, por cobertura mutua, formar un
espacio comn en el que deben disponerse, ubicarse los electrones
compartidos. Este espacio comn de compartimiento de electrones
entre tomos, al que se le denomina orbital es la esencia misma del
enlace covalente, lmolecular, puesto que es en este espacio, en el
que se equiparan las fuerzas de atraccin y repulsin entre los tomos
y se hace posible la existencia del enlace. Por lo anterior, es
importante y oportuno, lanzar una mirada a los temas de la
cobertura entre orbitales atmicos. Para ello nos es necesario
recordar aspectos como: tipo de orbitales, caractersticas, forma,
disposicin espacial, posibilidades de cobertura, etc. a. lTipo de
orbitales. Forma y orientacin Para efectos del anlisis que espacial
vamos a realizar es suficiente reconocer los orbitales s y los
orbitales p que arriba habamos enunciado. Los orbitales son de
forma esfrica y se representan con una esfera ( ) que en s n plano
de dos dimensiones puede confundirse con las rbitas, utilizadas por
el mtodo de la mecnica clsica para describir al electrn alrededor
del ncleo. La deferencia radica en que la esfera posee volumen
(como un globo, bolinche, baln, etc.), mientras que la rbita es la
trayectoria de un cuerpo, es una lnea que no posee volumen. Se
reconocen orbitales 1s, 2s, 3s, 4s, etc. que se diferencian por su
tamao, en funcin del tamao del tomo que forma el orbital. Todos
ellos presentan simetra esfrica como caracterstica central. Para
nuestro trabajo, nos ser suficiente utilizar los
orbitales pueden representarse de la siguiente orbitales 1s y
2s. Grficamente, los s manera (Fig. 4).
Los orbitales presentan forma de lbulo, son tres p, p y puparaun
nivel energtico x y z p determinado.uCada uno de ellos se dispone
hacia los dos lados del ncleo del tomo que los forma, esto es,
hacia atrs y adelante, hacia arriba y abajo o hacia derecha e
izquierda, en planos perpendiculares como se observa en la
Fig.5.
b. lCobertura lde lorbitales ly lformacin lde La cobertura de
orbitales lenlaces. como ya se dijo, forma los orbitales
moleculares, esencia y expresin, de los atmicos,enlaces covalentes,
por tanto revisar este tema reviste especial importancia, veamos:
Los orbitales s de dos tomos se cubren o traslapan cuando las
fuerzas de repulsin se equilibran con las fuerzas de atraccin
intraatmicas. Esto sucede, por ejemplo, en la molcula de hidrgeno,
en la que los orbitales 1s1de cada tomo de hidrgeno interaccionan y
forman el enlace H-H. Este proceso se puede representar
grficamente, as( Fig.6):
H
+
H
HH
1s1
1s1
Orbital molecular
Fig 6. Representacin de la formacin del orbital molecular
(enlace covalente) en la molcula de hidrgeno
p, Los orbitaless tambin se pueden cubrir con orbitales por
ejemplo, en molcula de fluoruro de hidrgeno HF. Grficamente se
podra representar, as (Fig.7):
H
+
F
H F
1s1 Fig 7.
2p
Orbital molecular
Representacin de la formacin del orbital molecular (enlace
covalente) en la molcula de fluoruro de hidrgeno
De manera similar dos orbitales p se pueden cubrir entre si como
sucede en la molcula del flor F 2. Este fenmeno se puede
representar grficamente de la siguiente manera (Fig.8):
F
+
F
FF
2p Fig 8.
2p
Orbital molecular
Representacin de la formacin del orbital molecular (enlace
covalente) en la molcula de fluor
c. Tipos de enlaces Los ejemplos de formacin de enlaces
covalentes covalentes. presentados en las Fig.6, 7 y 8 tienen una
caracterstica comn - todos estos enlaces se disponen sobre la lnea
imaginaria que se puede extender entre los centros de los tomos que
forman el enlace, veamos: el orbital molecular que se forma en la
molcula de hidrgeno (Fig.7) se forma sobre la lnea que une los
centros de los dos tomos de hidrgeno, igual situacin se ocasiona en
la molcula de HF (Fig.7) o en la molcula de Flor (Fig.8). uCuando
esto sucede, es decir, la cobertura de orbitales atmicos se da
sobre la lnea imaginaria que une los centros de los ncleos de los
tomos del enlace, de manera frontal. Se dice que se ha formado
enlace un (). Este es enlace covalente que sigma se forma con mayor
frecuencia, por tanto se encuentra en todos los compuestos
orgnicos. uPara los orbitalesp puede, sin embargo, existir otra
alternativa, imposible para los orbitaless por su simetra esfrica.
Esta posibilidad (para los orbitales p), es la de formar enlaces
por cobertura lateral. En estos casos se habla de la formacin
de
enlaces Pi ( )
uEn la Fig.9 se representa grficamente la cobertura de los
orbitales y pz y p x p, (Grficas A, B y C respectivamente). En las
grficas se muestra como en enlace Pi se forma, en los tres casos
posibles, por arriba y por debajo, atrs yo adelante o a la
izquierda y derecha de la lnea imaginaria que une los ncleos de los
tomos que forman el enlace. uEl carbono recurre a la formacin de
enlaces Pi en aquellos casos cuando no encuentra electrones para
realizar la cobertura frontal, caracterstica de los enlaces sigma.
Por tanto el enlace Pi se forma con menor frecuencia y, adems, la
cobertura lateral forma uniones (enlaces) menos rgidas, en
consecuencia, son los primeros en romperse cuando se presentan
situaciones de tensin o ataques externos. Esta situacin hace que
las sustancias orgnicas, que poseen dobles enlaces en sus cadenas,
sean qumicamente mas activas (reactivas) que aquellas solo poseen
enlaces sigma.
mltiples (dobles y triples) uEl enlace Pi es componente
importante de los enlaces que caracterizan a un elevado nmero de
compuestos orgnicos tales como los alquenos y los alquinos. Estos
enlaces mltiples se conforman por un enlace sigma y por uno o dos
enlaces Pi que por su baja rigidez y fortaleza son los primeros en
romperse y generar reacciones qumicas. Los enlaces del carbono. os
enlaces mas comunes del carbono L son los enlaces covalentes
carbono hidrgeno y los enlaces carbono carbono,sencillos y
mltiples. La naturaleza y caractersticas de estos enlaces son
similares entodos los compuestos orgnicos, por tanto lo que es
vlido en los ejemplos con los que vamos a trabajar a continuacin,
tambin es vlido para cualquier compuesto orgnico en el que hagan
presencia. Situacin anloga sucede con los enlaces carbono
heterotomo: oxgeno, nitrgeno, fsforo, azufre y halgenos.
4.2.1.3. l
u1 2 2 2
Lnea imaginaria
El lenlace lcarbono 1. Iniciaremos el anlisis de los enlaces del
lhidrgeno. carbono por el estudio del enlace carbono hidrgeno, por
dos razones: porque est presente y hace parte del esqueleto
hidrocarbonado de todos los compuestos orgnicos y, adems, porque su
sencillez permitir, sobre ese modelo, estudiar la naturaleza y
caractersticas de los dems enlaces del carbono.uPara estudiar el
enlace carbono hidrgeno, el ejemplo ms adecuado es el de la molcula
de metano - CH, cuya frmula estructural se representa as( Fig 10):
4
H | H- C-H -| H
Fig.10 Frmula estructural del metano.
De la frmula estructural se deduce que el carbono por medio de
sus cuatro electrones de valencia (Ver Fig.3) se une a los cuatro
electrones que aportan los 2 tomos de hidrgeno. As las cosas, cada
hidrgeno adquiere la configuracin 1s, tpica 2 2 6 del Helio y el
carbono la configuracin 1s2s2p, caracterstica del Nen. Sin embargo,
la frmula estructural es una simplificacin que no muestra que tipos
de enlaces se forman, que tipos de orbitales participan en la
formacin de enlaces, cuales son las caractersticas de estos
enlaces, entre tantos interrogantes que se podran formular. Para
aclarar el proceso de formacin de los enlaces carbono hidrgeno, se
puede hacer uso del mtodo de las casillas cunticas, ya utilizado en
este texto, igual del anlisis de la cobertura real de los orbitales
moleculares que participan en la formacin de los enlaces, veamos
(Fig.11): La Fig.11 muestra cual podra ser el apareamiento entre
los electrones 1s de los cuatro tomos de hidrgeno y los electrones
2s y 2p del tomo de carbono en el proceso de formacin de enlaces
C-H en la molcula de metano. Informacin adicional, mas cercana a la
manera real de como podra darse el proceso de formacin de los
enlaces carbono-hidrgeno en la molcula del metano, se puede obtener
si pasamos a la representacin grfica de la cobertura entre
orbitales 1s del hidrgeno y los orbitales 2s y 2p del carbono.
1s4 tomos de Hidrgeno p Atomo de carbono
S
p
Fig.11
Representacin grfica de la formacin enlaces C-H, en el metano,
con base en el compartimiento de electrones de los orbitales s y p,
representados por casillas cunticas
Esta representacin se presenta en la Fig.12. En ella se observa
como los orbitales 1s de los 4 tomos de hidrgeno (esferas sin
relleno) al cubrirse con el orbital 2s (esfera de mayor tamao
rellena) y con los orbitales 2p(x,y,z) del tomo de carbono, podran
formar orbitales moleculares (espacios coloreados de verde de
cobertura comn entre n orbital 1s con el orbital 2s y entre tres
orbitales 1s con los orbitales 2p. de la seccin derecha de la Fig
12), es decir los enlaces carbono hidrgeno del metano.4 tomos de
hidrgeno
1s 2py
1s
1s
1s
2pzAtomo de carbono 0
90 90 9
2px 2s
A
B
Fig.12. Representacin grfica de la formacin (esperada) de
enlaces Ccon H base en la cobertura de 2s y 2p del tomo de carbono
orbitales 1s de los tomos de hidrgeno en la molcula de metano
.(Vista con B). (La vista A corresponde a las configuraciones
electrnicas de los tomos de hidrgeno y carbono antes de la formacin
de enlaces).
La representacin grfica de la Fig.12 aporta una visin importante
sobre la formacin de los enlaces Carbono-Hidrgeno en la molcula del
metano. Muestra como enlaces los enlaces covalentes que se forman
entre carbono e hidrgeno son ,
sigma
de cobertura frontal, sobre la lnea imaginaria que une los
centros de los ncleos de los tomos de hidrgeno y carbono. De otra
parte, esta representacin grfica induce a concebir que los ngulos
de valencia del enlace C H deben ser de 180 para la cobertura de
los orbitales 1s y 2s y de 90 para los casos de cobertura entre
orbitales 1s y 2p. Esta ltima consideracin no corresponde a la
realidad, en razn que los estudios 5 electronogrficos muestran que,
en la molcula del metano, no hay cobertura de los orbitales 1s del
hidrgeno con el orbital 2s y los orbitales 2p del carbono. Los
estudios 4 muestran la cobertura de orbitales por su forma y
orientacin (cerca de , 109,5 unos con relaciniguales del otro) que
se cubren con los orbitales 1s del hidrgeno, como se representa en
la parte derecha de la Fig.13. Este fenmeno que, con base en
hibridacin,tiene como esencia los postulados de la qumica cuntica
se conoce como un 3 orbitales 2p (x, y, z) del carbono formencuatro
orbitales que 2s y hbridos de igual orientacin y forma. orbita
hibridacin spl, dado que es un orbital 2s y tres A este proceso
se le denomina 3 orbitales hbridos orbitales 2p los que forman los
cuatro spl. cuatro orbitales En resumen, en la molcula del metano,
el carbono forma 3 3 hbridos lspl, iguales por su forma y
orientacin. La forma de los orbitales sp se uno de los dos lbulos
de los orbitales (ver Fig.6 y posteriores), slo que asemeja a p es
este caso slo hay un lbulo un poco mas voluminoso (inflado). La
orientacin como ya se dijo, es de 10928, similar a la que toman los
ejes que parten del centro para nirse a los vrtices de una pirmide
regular (tetraedro, ver Fig.15). Por esta razn a los 3 tetradricos,
tetragonales o espaciales. orbitales sp se les denominaLas causas
que hacen posible la ocurrencia del fenmeno de la hibridacin en la
molcula del metano como en todos los hidrocarburos y dems
compuestos orgnicos, radican en la disminucin del gasto energtico
que obligatoriamente se da en los procesos de formacin de enlaces
qumicos. El carbono al recurrir a la hibridacin ahorra 3 energa, en
razn que el acomodamiento en el espacio de cuatro orbitales hbridos
sp (Ver Fig. 14) es mas ventajoso que acomodar un orbita 2s y tres
orbitales 2p por separado (Ver Fig.13). Las causas que hacen
posible la ocurrencia del fenmeno de la hibridacin en la molcula
del metano como en todos los hidrocarburos y dems compuestos
orgnicos, radican en la disminucin del gasto energtico que
obligatoriamente se da en los procesos de formacin de enlaces
qumicos. El carbono al recurrir a la hibridacin ahorra 3 energa, en
razn que el acomodamiento en el espacio de cuatro orbitales hbridos
sp5
3
Los estudios electronogrficos hacen parte de los mtodos fsicos
de investigacin estructural en sustancias qumicas. Su esencia
consiste en utilizar la difraccin de electrones de una fuente,
comnmente un metal, en las molculas de una sustancia en estudio. La
difraccin de los electrones se proyecta en una placa fotogrfica o
de otro material que la resee en forma de nube electrnica que
muestra la disposicin real de los electrones en la molcula.
Bibliografa recomendada: Karapetiants M.J yDrakin S.I .Estructura
de la Sustancia. Ed. MIR, Moscu. 1974. Traduccin al espaol
(Ver Fig. 14) es mas ventajoso que acomodar un orbita 2s y tres
orbitales 2p por separado (Ver Fig.13). Por ltimo, se hace
necesario reconocer las caractersticas bsicas del enlace carbono
hidrgeno que dada su frecuente e importante presencia en los
compuestos orgnicos es u enlace ampliamente estudiado; las
caractersticas se presentan en la tabla 1:
4 tomos de hidrgeno
1s
1s
1s 1s
2py 2pzAtomo de carbono
2px
109,5
109,5
2s 109,5
109,5
A
B
Fig.13. Representacin grfica de la formacin (real) de enlaces
C-H con base en la cobertura de orbitales 1s del hidrgeno con
orbitales sp3 del carbono en el metano (Vista B). (La vista A
corresponde a las configuraciones electrnicas de tomos de hidrgeno
y carbono antes de la formacin de enlaces). los
Fig.14. Angulo de valencia del enlace C H de la molcula de
metano.
ENLACE lCOMPUESTO(S) lANGULO VALENCIA, DE C-H Hidrocarburos y
compuestos orgnicos. 109,5
LONGITUD DE ENLACE, A 1,095
ENERGA DE ENLACE, kcal/mol 98,7
Tabla l1 . Caractersticas del enlace carbono hidrgeno. Tomado y
adaptado de
Karapetiants M.J y Drakin S.I .Estructura de la Sustancia. Ed.
MIR, Moscu. 1974. Traduccin al espaol
uAl concluir lo expuesto en el presente literal, es importante
enfatizar en como la frmula estructural (Fig.10) con la que
comnmente se presenta al metano es una simplificacin a la que se
recurre por comodidad en la escritura, pero que no representa la
complejidad de los fenmenos que tienen ocurrencia en la molcula del
metano. Han existido y existen propuestas para representar al
metano de manera mas acorde a la realidad que no han tenido acogida
por la dificultad de su representacin, por ejemplo la que se
presenta a continuacin. En lla se ve al carbono en el centro del
que salen cuatro orbitales a los que se unen los tomos de
hidrgeno.
2.
El enlace sencilo carbono carbono (C- El ejemplo ms sencillo y
comn C). que se puede encontrar para analizar el enlace sencillo
carbono-carbono (C-C) es la molcula del etano CH-CH, cuya frmula
estructura se representa as (Fig.15): 3 3
H H | | H-C-C-H | | H H
Fig.15 Frmula estructural del etano.
uSi se compara la frmula estructural del etano con la misma del
metano (Fig.10) se encontrar que la diferencia entre las dos
frmulas radica en que uno de los hidrgenos CH del metano fue
remplazado por un grupo3 uen la molcula del etano. Sin embargo, en
el etano, al igual que en el metano, cada tomo de carbono tiene
cuatro tomos
para unirse a ellos, representados, as: un (otro) tomo de
carbono y tres tomos de hidrgeno. En conclusin, los dos tomos de
carbono, en el etano, tienen, cada uno, cuatro electrones con los
que pueden formar enlaces, situacin similar a la del tomo de
carbono en el metano. Por tanto, se debe esperar que si el carbono
forma, en el 3 metano, slo enlaces sigma por medio de la formacin
de orbitales hbridos sp, de manera idntica, deben comportarse los
carbonos en el etano, formando enlaces sigma 3 entre s y con los
hidrgenos a travs de orbitales hbridos sp. u
Enlace Carbono - hidrgeno
Enlace Carbono hidrgeno
109,5
Enlace Carbono -carbono
Enlace Carbono hidrgeno
Fig.16 Representacin grfica de la formacin del enlace sencillo
C-C con base en la cobertura de orbitales sp 3 la molcula de en
etano.
uEsta suposicin se confirma plenamente por medio de los estudios
electronogrficos, los que muestran que la disposicin de los
orbitales moleculares (nubes electrnicas) para formar enlaces en la
molcula de etano, es similar a la que se representa en la Fig.16.
uEn la figura 16. se muestra como cada tomo de carbono del etano
forma cuatro 3 3 orbitales hbridos sp. Uno de estos orbitales
hbridos se cubre un orbital hbrido sp del otro carbono, formando el
enlace carbono-carbono y los dems orbitales se cubren con los
orbitales 1s de los hidrgenos (enlace carbono-hidrgeno). El ngulo
de valencia del enlace carbono- carbono es cercano a los 109,5,
igual que la orientacin entre los orbitales hbridos 3 sp. La
magnitud de esta caracterstica es igual, en promedio, en todas las
sustancias orgnicas, pero en particular en los hidrocarburos
saturados.
uObservemos, las caractersticas bsicas del enlace
carbono-carbono y comparmoslas con las del enlace
carbono-hidrgeno.( Tablas 1,2 .) u Al comparar las caractersticas
del enlace sencillo C-C que se exponen de la Tabla 1 con las
caractersticas del enlace C-H , se puede establecer lo
siguiente:ENLACE COMPUESTO(S) Hidrocarburos y compuestos orgnicos.
ANGULO DE VALENCIA, 109,5 LONGITUD DE ENLACE, 1,54 ENERGA DE
ENLACE, kcal/mol
CC
79,3
Tabla l2 . uCaractersticas udel uenlace usencillo
ucarbono-carbono. uTomado uy uadaptado ude Karapetiants M.J y
Drakin S.I .Estructura de la Sustancia. Ed. MIR, Moscu. 1974.
Traduccin al espaol
uLa longitud del enlace C-C es superior a la del enlace C-H,
hecho que debe estar relacionado con el tamao de los tomos que
conforman el enlace. El carbono posee un mayor radio atmico - 0.77-
mientras que el radio atmico del hidrgeno es de 0.37 . Por tanto,
al unirse el carbono con un tomo de su mismo tamao, la distancia
entre los ncleos de los tomos debe ser mayor que la misma distancia
al unirse con un tomo de menor tamao como el hidrgeno. uOtra
consideracin que debe incidir en la longitud del enlace C-C al
compararla con la misma del enlace C-H es la diferencia en los
valores de electronegatividad de los tomos que ucomponen ucada no
ude uestos uenlaces. uEl ucarbono, usegn ula uTabla ude
electronegatividad de Pauling, es mas electronegativo(2.5) que el
hidrgeno(2.1), en consecuencia, el electrn del hidrgeno debe ser
atrado por el carbono, acercndolo a su ncleo, en el enlace C-H, lo
que lleva a que el enlace se comprima. En el enlace C-C esta
situacin no se da, puesto que el compartimiento de electrones debe
ser equitativo. uLas dos consideraciones expuestas, deben incidir
en los valores de la energa de enlace C-C y C-H. En especial, el
efecto de la electronegatividad del carbono en este ltimo enlace
(C-H). Sin embargo, estos dos enlaces, los mas comunes, son lo
suficientemente rgidos como para ser los ltimos en destruirse al
someter a un compuesto orgnico a condiciones extremas.
El enlace doble carbono carbono Para analizar este enlace,
tilizaremos(C=C). la molcula del eteno, comnmente conocido como
etileno, cuya frmulaestructural se describe a continuacin (Fig
17):
3.
H H | | H-C=C-H
Fig.17 Frmula estructural del eteno.
uLo primero que salta a la vista en la frmula estructural del
eteno, es que, en este caso, cada tomo de carbono, slo tiene tres
tomos a los que se puede unir- un tomo de carbono y dos tomos de
hidrgeno. De manera, que son estos tres tomos con los que cada
carbono puede unirse de manera frontal, en otras palabras, formar
enlaces sigma con relativa facilidad. Pero, cada carbono posee,
adems, un electrn 2p (cualquiera, el 2px, 2py o 2pz) que no tiene
tomos con los que pueda aparearse. Por tanto es lgico suponer que,
para satisfacer la tetravalencia, cada tomo de carbono tilizar el
electrn 2p, que no participa en la formacin de enlaces sigma. Y
dado que p los orbitales pueden formar enlaces Pi por cobertura
lateral, en el caso del eteno, los electrones 2p, que no participan
en la formacin de enlaces sigma (uno por cada carbono), pueden por
cobertura lateral, formar enlaces Pi y de esta manera satisfacer la
tetravalencia del carbono. uSe puede suponer, en consecuencia, que
la segunda lnea, que aparece en la frmula estructural del eteno,
representando un segundo enlace C=C, corresponde al enlace Pi que
se forma entre los electrones 2p de los carbonos que no participan
en la formacin de enlaces sigma. De lo expuesto, se deduce que las
dos lneas que representan los enlaces carbonocarbono en la frmula
estructural del eteno, representan enlaces de naturaleza diferente,
el enlace sigma y el enlace Pi. uLos estudios de los orbitales
moleculares (nubes electrnicas) en la molcula del 2 eteno, muestran
que cada carbono forma 3 orbitales hbridos (orbitales hbridos sp),
a partir de un orbital 2s y 2 orbitales 2p. El tercer orbital 2p,
el 2p y participa de la hibridacin, por tanto debe ser el no
encargado de formar el enlace Pi con el electrn 2p del otro tomo de
carbono que tampoco ha participado de la hibridacin. uEn la Fig 18.
se represnete el proceso de formacin de orbitales hbridos en la
molcula del eteno. En esta Figura se ve como el tomo de carbono, de
su estado normal, en el que dispone de los orbitales 2s, 2p, 2p z
2p (vista A), pasa al estado y y x 2 de hibridacin, conformado por
3 orbitales hbridos sp y un orbital 2p,6el 2p.(Vista B). y6
En la Fig.18 se deja el orbital 2p y por fuera del proceso de
hibridacin sp por la comodidad para la representacin grfica, sin
embargo, se hubiera podido utilizar cualquiera de los otros
orbitales 2p, el z o el 2p . 2p x
2
2py 2px 2pz120Orbital sp2
2py120Orbital sp 2
120
A
Orbital sp
2
B
Fig.18. Representacin grfica de la formacin de orbitales hbridos
sp2 del tomo de carbono. A - Estado normal del tomo de carbono,
conformado por los orbitales 2px y 2s,2py, 2pz. B - Estado de
hibridacin, conformado por 3 orbitales Hbridos sp2 y un orbital p (
2py)
2 Los 3 orbitales hbridos sp se disponen mutuamente bajo un
ngulo de 120. Este hecho hace que estos orbitales se puedan ubicar
en un plano, por ejemplo el plano horizontal, en la Fig 20,
mientras que el orbital 2p deber disponerse en el plano y
perpendicular. 2 El hecho que los orbitales hbridos sp sean tres,
que necesiten solo de un plano para su trigonales, lplanos o
disposicin uhace uque use ules udenomine uorbitales uhbridos
planares.
El proceso de formacin de enlaces carbono-hidrgeno y
carbono-carbono en la molcula del eteno, se expone grficamente en
la Fig.19. Aqu nos encontramos con el 2 hecho que dos orbitales
hbridos sp de cada carbono se cubren con los dos orbitales 1s de
los dos hidrgenos para formar enlaces carbono- hidrgeno, El tercer
orbital hbrido sp2de un carbono se une al orbital hbrido 2 del otro
carbono para formar el enlace sp carbonocarbono. De esta manera
cada carbono satisface 3 de sus cuatro valencias. La cuarta
valencia se satisface por cobertura lateral, la formacin del enlace
Pi entre carbono y carbono. uLa Fig 19 muestra la diferencia
sustancial que existe entre el enlace sencillo carbono2 carbono que
se forma por cobertura frontal de orbitales hbridos sp y el enlace
Pi que se forma por cobertura lateral de orbitales 2p. y u
2pyEnlace Carbono-carbono Pi
2py
Enlace carbono-hidrgeno Enlace carbono-carbono sencillo Enlace
Carbono-carbono Pi.
Enlace Carbono-hidrgeno
Fig.19 .
Representacin grfica de la formacin de enlaces en la molcula del
eteno ( etileno): 3 Enlaces C-H por cobertura de orbitales hbridos
sp del carbono con orbitales 1s del hidrgeno. Enlace sencillo C-C
por cobertura de orbitales hbridos sp .3 Enlaces Pi por cobertura
de orbitales 2p( 2p )y
uEs lgico suponer, que para que se de la cobertura de los
orbitales 2p, es necesario y que los carbonos se encuentren,
mutuamente, a una distancia que esta sea posible la 7
coberturauEsta distancia no es otra que la longitud del enlace
doble carbono-carbono . (C=C) que debe ser inferior a la distancia
entre tomos de carbono del enlace sencillo carbono-carbono. En
efecto, la longitud del enlace doble carbono carbono es igual a
1.34 . A esta distancia es posible la cobertura mutua entre
orbitales 2p y la formacin y del enlace Pi carbono-carbono. u
uVeamos, ahora las caractersticas bsicas del enlace doble
carbono-carbono y comparmoslas con las del enlace sencillo
carbono-carbono. uAnalicemos ahora, el valor de la Energa del
enlace doble carbono-carbono (C=C) que es de 140,5 Kcal/mol. Este
enlace est compuesto por un enlace sencillo (enlace sigma) y un
enlace Pi. De manera, que el valor total de la energa del enlace,
corresponde a la suma de las energas de enlace de cada uno de
ellos. Si partimos de las caractersticas del enlace sigma en la
molcula del etano, la energa de enlace del enlace sigma debe ser de
79,3 Kcal/mol. De manera que este debe ser el aporte del enlace
sigma en la energa del doble enlace carbono-carbono de la molcula
de eteno. As las cosas, nos encontramos con que al enlace Pi le
correspondera la diferencia, esto es 140,5 -79,3 = 61,2
Kcal/mol.7
En la Fig.20 no se muestra la cobertura de los orbitales 2p de y
carbono para formar cada el enlace Pi y slo se muestra su posible
interaccin por medio de flechas, por razones de la dificultad para
la representacin grafica
ENLACE
COMPUESTO(S) Hidrocarburos y otros compuestos orgnicos.
ANGULO DE VALENCIA, 120
LONGITUD DE ENLACE, 1,34
ENERGA DE ENLACE, kcal/mol 140,5
C=C
Tabla l3. Caractersticas del enlace doble carbono-carbono.
Tomado y adaptado deKarapetiants M.J y Drakin S.I .Estructura de la
Sustancia. Ed. MIR, Moscu. 1974. Traduccin al espaol
uEste valor (61,2 Kcal/mol) muestra que enlace Pi, en la molcula
del eteno es menos ). rgido que el enlace Sigma( En consecuencia,
si concebimos energa de enlace la como la energa necesaria para
romper un enlace determinado, debemos suponer que es mas fcil,
desde el punto de vista energtico, destruir un enlace Pi que romper
un enlace , por tanto, los compuestos que posean enlaces Pi, al ser
sometidos a pequeos cambios de temperatura, energa fotosinttica,
radiacin solar, etc. sufriran con mayor facilidad, el rompimiento
de estos enlaces (los enlaces Pi), mientras aquellos que slo posean
enlaces sigma los podran conservar intactos. En conclusin, los
compuestos ucon uenlaces uPi udeben upresentar, uen uprimera
uaproximacin, umayor 8 reactividad qumica que los compuestos que no
los poseen. Al concluir el anlisis del enlace doble de la molcula
del eteno, es necesario recalcar que la frmula estructural que con
frecuencia se utiliza es, al igual que en el caso del metano y del
etano (ver Fig 10, 15 y 18), una simplificacin que no representa la
realidad de lo que acontece en ella. En el eteno, hay, en el enlace
doble carbonocarbono, una mayor presencia de electrones, se habla
de una mayor densidad de electrones o de nubes electrnicas densas,
que se ubican encima y por debajo del plano en el que se realiza la
hibridacin 2sp. Se han hecho propuestas para representar esta mayor
densidad de electrones en la molcula del eteno, una de llas,
ampliamente tilizada se representa a continuacin, de la siguiente
manera, en la Fig.20:
H C H C
H H
Fig 20. Representacin grafica de la nube electrnica conformada
por el enlace Pi en la molcula del eteno.
8
En efecto, para la consideracin de la mayor reactividad de las
sustancias con dobles enlaces que las que no los poseen, se debe
tener en cuenta, adems, la estructura de la sustancia analizada, el
de reactivo o agente externo que realiza el ataque, el medio en el
que se encuentra la sustancia, etc. tipo
4. El lenlace ltriple l carbono lcarbono En esta ocasin,
tomaremos, CHCH.y la como (CC). la molcula del etino, conocido
tambin como acetileno: ejemplo, representamos por su frmula
estructural en la siguiente Fig. 21:
H C C - HFig.21 Frmula estructural del etino.
En la frmula estructural del etino, cada tomo de carbono, slo
tiene dos tomos a los que se puede unir- un tomo de carbono y un
tomo de hidrgeno. En consecuencia, es con estos dos tomos con los
que (cada carbono) puede unirse de manera frontal y formar enlaces
sigma con relativa facilidad. Sin embargo cada carbono posee,
adems, dos electrones 2p (cualquiera de las posibles combinaciones:
2px y 2py;2px y 2pz o 2py y 2pz) que no tienen tomos con los que
pueda aparearse de manera frontal. Por tanto es lgico suponer que,
para satisfacer la tetravalencia, cada tomo de carbono utilice los
electrones 2p que no participan en la formacin de enlaces sigma. En
analoga con el eteno, los electrones 2p de los carbonos pueden
formar enlaces Pi. En este caso, en el etino, los electrones 2p,
que no participan en la formacin de enlaces sigma (dos por cada
carbono), pueden por cobertura lateral, formar enlaces Pi y de esta
manera satisfacer la tetravalencia del carbono. uEn consecuencia,
se puede suponer, que la segunda y tercera lneas, de la frmula
estructural del etino, representando el segundo y tercer enlaces
(CC), corresponden a dos enlaces Pi que se forma entre los
electrones 2p de los carbonos que no participan en la formacin de
enlaces sigma. Se deduce, de lo expuesto, que las tres lneas que
representan los enlaces carbonocarbono en la frmula estructural del
etino, representan enlaces de naturaleza diferente, n enlace sigma
y dos enlaces Pi. uLos estudios de los orbitales moleculares (nubes
electrnicas) en la molcula del etino, muestran que cada tomo de
carbono forma 2 orbitales hbridos (orbitales hbridos sp), a partir
de un orbital 2s y 1 orbital 2p, dejando por fuera de la hibridacin
a dos electrones en sendos orbitales 2p que deben ser los
encargados de formar los enlaces Pi. uEn la Fig 22 se muestra, como
es el proceso de formacin de orbitales hbridos en la molcula del
etino. En esta Figura se ve como el tomo de carbono, de su estado
normal, en el que dispone de los orbitales 2s, 2p, 2p z 2p (vista
A), pasa al estado y y x de hibridacin, conformado por 2 orbitales
hbridos sp y dos orbital y (2p y 2pz,). (Vista 2p B).
2py
2pz 180
2py 2pz
2px
2s
Orbital sp
Orbital sp
AFig.22
B
Representacin grfica de la formacin de orbitales hbridos sp del
tomo de carbono. A - Estado normal del tomo de carbono, conformado
por los orbitales 2s,2py, 2px y 2pz. B - Estado de hibridacin,
conformado por 2 orbitales hbridos sp y dos orbitales 2p ( 2py,
2pz)
uLos 2 orbitales hbridos sp se disponen mutuamente bajo un ngulo
de 180 y que necesiten para ubicarse slo de una lnea. Este hecho
hace que se les denomine ineales, tambindigonales . El proceso de
formacin de enlaces carbono-hidrgeno y carbono-carbono en la
molcula del etino, se expone grficamente en la Fig.23. En ella se
observa que cada carbono utiliza un orbital hbrido sp para cubrirse
con un orbital 1s del hidrgeno y formar enlaces carbono- hidrgeno,
El segundo orbital hbrido sp (de un carbono) se ne al orbital
hbrido sp del otro carbono para formar el enlace carbonocarbono.
uDe esta manera cada carbono satisface 2 de sus cuatro valencias.
La tercera y cuarta valencias se satisfacen por cobertura lateral
de orbitales 2p (2py y 2pz, en la grfica), con la formacin de
enlaces Pi entre carbono y carbono. Con flechas de lneas continuas
se muestra la posible interaccin de los orbitales 2py y con flechas
de lneas discontinuas la de los orbitales 2pz.
Enlace Pi( plano Y)
Enlace Pi(plano Z)
Enlace Carbono-hidrgeno
Enlace sencillo Carbono-carbono sp carbono-hidrgeno Enlace Pi
(Plano Z) Enlace Pi(plano Y)
3
Enlace
Fig.23 Representacin grfica de la formacin de enlaces en la
molcula . del etino( acetileno), as: Enlaces C-H por cobertura de
orbitales hbridos sp del carbono con orbitales 1s del hidrgeno.
Enlaces sencillos C-C, por cobertura de orbitales hibridos sp.
Enlaces Pi por cobertura de orbitales 2p (2py y 2pz).
uLa Fig 23 muestra la diferencia sustancial que existe entre el
enlace sencillo carbonocarbono que se forma por cobertura frontal
de orbitales hbridos sp y los enlaces Pi que se forman por
cobertura lateral de orbitales 2p. y 2pz. y uEs lgico suponer, que
para que se de la cobertura de los orbitales y 2puy 2pz, es
necesario que los carbonos se encuentren, mutuamente, a una
distancia en la que esta 9 (la cobertura) sea posibleEsta distancia
no es otra que la longitud del enlace triple . carbono-carbono (CC)
que debe ser inferior a la distancia entre tomos de carbono del
enlace doble carbono-carbono. En efecto, la longitud del enlace
triple carbono carbono . A esta distancia es posible la cobertura
mutua entre orbitales 2p y es igual a y 1.21con la consecuente
formacin de dos enlaces Pi carbono-carbono, en planos, 2pz
perpendiculares entre si. uEn la Fig. 24 se recurre a otra
representacin grfica de la molcula del etino, en la que se
visualizan las nubes electrnicas, por arriba y por debajo, atrs y
adelante de la lnea que une los dos planos perpendiculares A y B,
en los que se forma los enlaces Pi de la molcula del etino. La lnea
que une los dos planos (A y B) es suficiente para que
9
En la Fig.23 no se muestra la cobertura de los orbitales y y 2pz
de cada carbono para 2p formar el enlace Pi y slo se muestra su
posible interaccin por medio de flechas, por razones de la
dificultad para la representacin grfica.
se formen los enlaces sencillos carbono-carbono y
carbono-hidrgeno por cobertura de los orbitales hbridos sp del
carbono entre si y con los orbitales 1s del hidrgeno.
A B
HCC-H
Fig 24 Representacin grfica de la nube electrnica, conformada
por los enlaces Pi en la molcula del etino, en planos mutuamente
perpendiculares (planos A y B) uVeamos, ahora, en la Tabla 4, las
caractersticas bsicas del enlace triple carbonocarbono y
comparmoslas con las del enlace doble. La energa del enlace triple
es de 196,7 Kcal/mol. Es decir 56,2 Kcal/mol mas que la energa del
enlace doble (140,5 Kcal/mol), energa que debe corresponder al
segundo enlaces Pi en el enlace triple. En el enlace doble la
energa del enlace Pi es de 61,2 Kcal/mol), por tanto se u
ENLACE
COMPUESTO(S)
ENERGA ANGULO DE LONGITUD DE ENLACE, VALENCIA, DE ENLACE,
kcal/mol 180 1,21 196,7
C C
Hidrocarburos y otros compuestos orgnicos.
Tabla l4. Caractersticas del enlace triple carbono-carbono.
Tomado y adaptado de Karapetiants M.J y Drakin S.I .Estructura de
la Sustancia. Ed. MIR, Mosc. 1974. Traduccin al espaol supone que
el segundo enlace Pi, en el enlace triple Carbono-carbono es menos
rgido y sera mas vulnerable que el en enlace Pi en el enlace doble
y por tanto las sustancias con enlaces triples suelen, en ciertos
casos, presentar mayor reactividad que las sustancias con enlaces
doble carbono-carbono.
5 .
El enlace carbono El anlisis del enlace carbono-heterotomo
heterotomo. lo iniciaremos a partir de los enlaces carbono- oxgeno
y carbono-nitrgeno para luego pasar a otro tipo de enlaces como los
enlaces carbono- halgeno, fsforo y azufre.
1. Enlaces carbono - oxgeno. Para el anlisis de los enlaces
carbono-oxgeno es recomendable iniciar por el reconocimiento de la
configuracin electrnica del 2 2 4 Oxgeno que se representa de la
siguiente manera: 1s2s2p o por medio de casillas cunticas, en la
Fig.25, as: p Fig. 25 Representacin Grfica de laconfiguracin
electrnica del tomo de oxgeno 1s 2 2 4 2s 2p
s 2 1
Electrones de valencia
1s2 tomos de Hidrgeno p Atomo de oxgeno s S p
Fig.26 Representacin grfica de la formacin de enlaces
Oxgenohidrgeno en la molcula del agua con base en el con base el
compartimiento de electrones de los orbitales s y p, representados
por casillas cunticas
valencia
Electrones de
Con base en la configuracin representada en la Fig.25, la
valencia del oxgeno debe ser igual a dos, pues son dos los
electrones de valencia, es decir los electrones 2p no apareados. Si
tomamos la molcula del agua como ejemplo para iniciar el anlisis de
los enlaces que el oxgeno forma, podramos suponer que la formacin
de enlaces se da por la cobertura de los electrones de los
orbitales 1s del hidrgeno con los electrones de los orbitales 2p
del oxgeno como se representa en las Figs. 27 y 28. En la Fig.27 se
muestra la cobertura esperada (vista B) de orbitales 1s y 2p, de
conformidad con las configuraciones electrnicas de valencia de los
tomos de hidrgeno y oxgeno respectivamente (vista A).
2 tomos de hidrgeno
1s
1s
AAtomo de oxgeno
B90
. Fig.27 . Representacin grfica de la formacin (esperada) de
enlaces O-H con base en la cobertura de orbitales 1s del hidrgeno
con orbitales 2p del del oxgeno en la molcula del agua ( Vista B).
(La vista A corresponde a las configuraciones electrnicas de
valencia del hidrgeno y el oxgeno antes de la formacin de
enlaces)
2 tomos de hidrgeno
1s
1s
A
B104,5
Atomo de Oxgeno
104,5
104,5 104,5
Fig.28. Representacin grfica de la formacin (real) de enlaces
Ocon base en la cobertura de orbitales 1s H hidrgeno con orbitales
hbridos sp3 del del oxigeno en la molcula del agua( Vista B). (La
vista A corresponde a las configuraciones electrnicas de los tomos
de hidrgeno y oxgeno antes de la formacin de enlaces.)
uCon base en esta representacin, se espera que en ngulo de
valencia en la molcula del agua sea de 90, en concordancia con la
orientacin de los orbitales 2p del tomo de oxgeno. Sin embargo, los
estudios electronogrficos muestran que el ngulo de valencia en la
molcula del agua es de un valor cercano a los 104,5, adems, que la
forma de la nube electrnica corresponde a la representada en la
Fig.28, vista B. La representacin de la Fig.28, vista B, nos
recuerda la representacin grfica de la formacin de enlaces
carbono-hidrgeno en la molcula del metano (Fig 13, vista B), por
cobertura de orbitales hbridos3sp del carbono con orbitales 1s del
hidrgeno. En efecto, el oxgeno (Fig.28, vista B) forma 4 orbitales
hbridos, dos de llos se cubren con los orbitales 2s del hidrgeno
para formar enlaces sigma y los otros dos restantes orbitales,
pueden conservarse vacos o encajar, cada uno, un par de electrones
de los dos pares de electrones que el oxgeno posee en su nivel
energtico superior, en los subniveles 2s y 2p (Ver Fig.25). Por lo
visto esta ltima alternativa es ms ventajosa para el oxgeno, puesto
que los estudios muestran que los pares de electrones de los
subniveles 2s y 2p del oxgeno, que no participan en la formacin de
enlaces sigma con el hidrgeno, se ubican en los dos de los cuatro
orbitales hbridos que el oxgeno forma en la molcula del agua. uAs
las cosas, nos encontramos con el hecho que el oxgeno, en la
molcula del agua, forma cuatro orbitales hbridos que utiliza de la
siguiente manera: con dos de llos forma enlaces sigma con los tomos
de hidrgeno y, en los otros dos orbitales restantes, encaja a los
pares de electrones que posee en el nivel energtico superior,
concretamente en los subniveles 2s y 2p. Por analoga con lo
analizado para el carbono y dado que en la formacin de estos
orbitales hbridos, participa un orbital s ( 2s) y tres orbitales
2p, a los orbitales 3 orbitales hbridos spl. hbridos el oxgeno en
la molcula del agua se les denomina que forma ua . El lenlace
lsencilo lcarbonoPasemos ahora, al enlace sencillo oxgeno. para
ello, utilicemos como ejemplo la molcula del metanol o alcohol
carbonooxgeno, metlico CHOH. De las frmulas estructurales (Fig.29)
del agua y el metanol se 3 denota que las diferencias estructurales
entre una molcula y otra, consisten en que en el metanol el grupo
metilo (CH) reemplaza uno de los hidrgenos en la molcula del 3
agua.3 uEn la molcula del agua el oxgeno como lo acabamos de
analizar, est hibridado sp. Situacin similar debe presentarse, con
el oxgeno en la molcula del metanol, en razn 3 que en este ltimo,
el carbono tambin presenta hbridos sp, puesto que se dispone de 4
tomos con los que puede formar enlaces sigma, a saber 3 hidrgenos y
el oxgeno. Pero, adems, el oxgeno necesita de dos orbitales para
formar enlaces con el carbono y
H | .. .. H-C - O - H ; H O - H | .. .. del H metanol y del agua
.
Fig.29 Frmulas estructurales
con el hidrgeno, y tambin dos orbitales para ubicar los pares de
electrones 2s y 2p. 3 Por tanto, la alternativa, que el oxgeno
forme orbitales sp en el metanol, debe ser la mas uventajosa, u
uhecho uque use uconfirma ucon ulos uestudios uelectronogrficos,
representados esquemticamente en la Fig.30.
Enlace Carbono - hidrgeno
Enlace Carbono hidrgeno
A 109,5
B
Orbitales con pares de electrones
Enlace Oxgeno-carbonoEnlace Carbono hidrgeno
Fig.30. Representacin grfica de la formacin del de orbitales sp3
en la molcula de metanol. A- tomo de oxgeno. B-tomo de carbono.
uLo representado en la Fig.30 guarda analoga con lo representado
en la Fig.16 de la molcula del etano. Las diferencias radican en
que en la molcula del metanol dos 3 orbitales hbridos sp del oxgeno
se utilizan para la disposicin de los pares de electrones del
oxgeno, es decir, en dos orbitales hbridos se disponen electrones
del mismo tomo (del oxgeno), mientras que en la molcula del etano,
en todos los orbitales hbridos encontraremos electrones de tomos
diferentes. u En conclusin, el oxgeno, dada su configuracin
electrnica, siempre presentar la tendencia a formar dos enlaces
sigma con sus electrones no pareados y a ubicar los dos pares de
electrones del nivel superior de energa, en sendos orbitales, por
tanto, en 3 esos casos, la alternativa mas conveniente, es la
formacin de orbitales hbridos sp. ub. El lenlace ldoble lcarbonoLa
situacin es diferente cuando el oxgeno. oxgeno no encuentra, en la
molcula de una sustancia dada, tomos suficientes para formar los
dos enlaces sigma que la configuracin electrnica le permite formar.
Este evento tiene ocurrencia en un elevado nmero de sustancias
orgnicas como aldehdos, cetonas, cidos carboxlicos, entre los ms
comunes. Tomaremos como ejemplo al metanol (o formaldehdo)-CHOH,
cuya frmula estructural la encontramos en la 2 siguiente figura
(Fig.31):
H | .. H-C = O ..
Fig.31 Frmula estructural del metanal o formaldehdo.
uDe la frmula del metanal se puede establecer que para
satisfacer sus valencias tanto el carbono como el oxgeno deben
recurrir a la formacin de un enlace doble carbonooxgeno. uEl tema
de la formacin de dobles enlaces por parte del carbono ya fue
analizado anteriormente (en la seccin 4.2.1.3.3.). De ese anlisis
se concluye que el carbono, en 2 el doble enlace, forma 3 orbitales
hbridos sp, haciendo uso de tres de sus cuatro electrones de
valencia, al tiempo que queda por fuera de la hibridacin un electrn
2p (Ver Fig 19). Este ltimo electrn es utilizado para formar
enlaces Pi de cobertura lateral (Ver Fig 20) como en el caso de la
molcula del eteno. uEs lgico suponer que el carbono en el metanal
se comporte de manera similar a 2 como se comporta en la molcula
del eteno, es decir que forme 3 orbitales hbridos sp
y que un electrn 2p quede por fuera de la hibridacin para ser
utilizado en la formacin de un enlace Pi y de esta manera
satisfacer su tetravalencia. uObservemos ahora al oxgeno. Dada su
configuracin electrnica (Fig.25) el oxgeno puede formar dos enlaces
sigma con sus electrones de valencia: claro que para ello se
necesita que existan tomos con electrones que permitan la formacin
de este tipo de enlaces de cobertura frontal como en el caso del
agua y del metanol arriba estudiados. uEn el metanal, el oxgeno se
encuentra con la siguiente situacin: un solo tomo de carbono que le
brinda electrones para formar enlaces sigma. Este tomo de carbono 2
presenta hibridacin sp, lo que indica que tiene tres electrones
para la formacin de enlaces sigma, por tanto slo puede ofrecerle al
oxgeno un electrn, dado que los otros dos electrones deben ocuparse
de la formacin de enlaces sigma con los dos tomos de hidrgeno. uEn
estas circunstancias, el oxgeno podr formar, en el metanal,
solamente un enlace sigma con uno de sus dos electrones de
valencia. El otro electrn de valencia no tiene, en este caso,
posibilidades de formar enlaces sigma, por tanto, queda para este
electrn, como nica opcin, la formacin de un enlace Pi, que debe
formarse con el cuarto electrn del carbono que no particip en la
formacin de enlaces sigma. uAs, las cosas, el oxgeno, con uno de
los electrones forma, en el metanal, un enlace sigma, con el otro
electrn - un enlace Pi, pero como lo vimos en la molcula del agua y
en el metanol, el oxgeno necesita, adems de formar enlaces, ubicar
sus pares de electrones del nivel de valencia, por tanto es de
suponer que forme con este fin sendos orbitales electrnicos. uPor
lo expuesto, se puede esperar, que en la molcula del metanal, el
oxgeno forme tres orbitales hbridos 2, spulos que debe utilizar de
la siguiente manera: con uno de estos orbitales formar un enlace
sigma con el carbono y en los otros orbitales ubicar sus pares
electrnicos. Estas dos situaciones se representan en las Figs. 32 y
33 que muestran completa analoga con las figuras de formacin de
enlaces sigma y Pi en la molcula del eteno ( Figs 18 y 19). uAl
concluir el anlisis de los enlaces carbono-oxgeno es oportuno
presentar las caractersticas de los enlaces sencillos y dobles
entre estos dos elementos y sobre esa base adelantar ciertas
consideraciones preliminares ( Tabla 5). Si se comparan las
caractersticas de los enlaces sencillos carbono-carbono y
carbonooxgeno, se encuentra que desde el punto de vista energtico
las diferencias son mnimas, pero los valores de la longitud de los
enlaces si presentan diferencias sensibles el enlace doble
carbono-oxgeno es mas corto que el enlaces carbono-carbono.
2py 2px
2pz
Orbital sp 2
120 120
2s
2
Orbital sp
120
A
Orbital sp 2
B
Fig.32. Representacin grfica de la formacin de orbitales hbridos
sp2 del tomo de oxgeno. A - Estado normal del tomo de oxgeno,
conformado por orbitales 2s y dos tres orbitales 2py, 2px y 2pz. B
- Estado de 2 hibridacin, conformado por 3 orbitales hbridos sp y
un orbital p ( 2py)
2py
2pyEnlace Oxgeno-carbono Pi
Orbitales con pares de electrones Enlace oxgeno-carbono
sencillo
Enlace Carbono-hidrgeno
A
Enlace Oxgeno-carbono Pi.
B
Fig.33 Representacin grfica de la formacin de enlaces en la
molcula del 2 metanal Enlaces C-H por cobertura de orbitales
hbridos sp del (formaldehdo): carbono con orbitales 1s del
hidrgeno; Enlace sencillo O - C por cobertura -2 orbitales hbridos
sp ; Enlaces Pi por cobertura de orbitales de y 2p( 2p ). A Atomo
de oxgeno. B Atom o de carbono.
ENLACE
COMPUESTO(S)
ENERGA ANGULO DE LONGITUD DE ENLACE, VALENCIA, DE ENLACE,
kcal/mol 109,5 1,43 81
c-o
Alcoholes, carbohidratos. Aldehdos, cetonas, cidos y
carbohidratos.
C=O
120
1,21
170
Tabla 5. Caractersticas de los enlaces carbono-oxgeno. Tomado y
adaptado de:
1. Karapetiants M.J y Drakin S.I .Estructura de la Sustancia.
Ed. MIR, Mosc. 1974. Traduccin al 2. Noller.C.R. Qumica Orgnica.
Tercera Edicin.Ed. espaol. 3. Potapov.V.M. Interamericana. Qumica
Orgnica.Ed. Mir . Mosc 1979.
uEsta situacin puede tener como causas, el menor tamao del tomo
de oxgeno y por otro lado su mayor electronegatividad (3,5 del
oxgeno contra 2,5 de carbono). De manera que el enlace C-O se
comprime por efectos de la fuerte atraccin que ejerce el oxgeno
sobre los electrones compartidos en enlace. uDe igual manera, esta
debe ser la causa por la cual el enlace doble Carbono-Oxgeno posea
una energa considerablemente mayor que la del enlace doble
Carbono-Carbono (170 contra 140,5 kcal/mol del enlace C=C). La
elevada electronegatividad del oxgeno hace que los electrones
compartidos en el enlace se compriman y su rigidez se acente, adems
a una distancia de 1,21entre los tomos de carbono y oxgeno la
cobertura de los orbita 2p de cada tomo para formar el enlace Pi es
mucho mayor que una entre carbono y carbono. distancia de 1,33
uComo consecuencia de lo expuesto, se puede esperar que el enlace
doble carbonooxgeno como enlace rgido, no presente tendencia a la
ruptura como si la presenta en enlace doble carbono-carbono, y que
sea el enlace sencillo carbono-oxgeno el que se rompa con mayor
facilidad, en otras palabras, que los compuestos con enlaces dobles
carbono-oxgeno tiendan a conservar este enlace y que sean otros
enlaces los que por ruptura presenten reacciones qumicas. Este
hecho, aunque no se puede generalizar si se presenta en un
considerable nmero de compuestos orgnicos, en los que las
reacciones por enlace sencillo carbono-oxgeno, son mas frecuentes
que las reacciones por ruptura de los enlaces doble carbono-oxgeno.
2. Enlaces carbono nitrgeno. De manera similar al procedimiento
utilizado en el caso de los enlaces carbono-oxgeno es recomendable
iniciar el anlisis de los enlaces carbono-nitrgeno por el
reconocimiento de la configuracin electrnica del nitrgeno 2 2 3 que
se representa de la siguiente manera: 1s2s2p o por medio de
casillas cunticas, en la Fig.34, as:
s 2 1
p Fig. 34. Representacin Grfica de la configuracin electrnica
del tomo de nitrgeno 1s 22s 2 3 2pElectrones de valencia
s3 tomos de Hidrgeno
1S p s p
Atomo de nitrgenovalencia
Electrones de
Fig.35 Representacin grfica de la formacin de enlaces
oxgenohidrgeno en la molcula del amoniaco con base en el con base
el compartimiento de electrones de los orbitales s y p,
representados por casillas cunticas.
1s 3 tomos de hidrgeno
1s
1s
AAtomo de nitrgeno
2py
B90 90 90 2pz
2px
Fig.36 Representacin grfica de la formacin (esperada) de enlaces
N-H con en la base cobertura de orbitales 1s del hidrgeno con
orbitales 2p del oxgeno en la molcula de amonaco ( Vista B). (La
vista A corresponde a las configuraciones electrnicas de valencia
del hidrgeno y el nitrgeno antes de la formacin de enlaces)
Con base en la configuracin representada en la Fig.34, la
valencia del nitrgeno debe ser igual a tres, pues son tres los
electrones de valencia, es decir los electrones 2p no apareados. Si
utilizamos la molcula del amonaco (NH) como ejemplo para iniciar el
3 anlisis de los enlaces que el nitrgeno forma, se podra suponer
que la formacin de enlaces se da por la cobertura de los electrones
de los orbitales 1s del hidrgeno con los electrones de los
orbitales 2p del nitrgeno como se representa en las Figs. 35 y 36.
uEn la Fig.36 se muestra la cobertura esperada (vista B) de
orbitales 1s y 2p, de conformidad con las configuraciones
electrnicas de valencia de los tomos de hidrgeno y nitrgeno
respectivamente (vista A). Con base en esta representacin, se
espera que en ngulo de valencia en la molcula del amonaco sea de
90, en concordancia con la orientacin de los orbitales 2p del tomo
de oxgeno. Sin embargo, los estudios electronogrficos muestran que
el ngulo de valencia en la molcula del amonaco es de un valor
cercano a los 107, adems, que la forma de la nube electrnica
corresponde a la representada en la Fig.36.1s 1s 1s
3 tomos de hidrgeno
A
2py 2p
Bz
Atomo de nitrgeno
2px
107
107 107
107
Fig.37. Representacin grfica de la formacin (real) de enlaces
N-H con base en la cobertura de orbitales 1s del hidrgeno con
orbitales hbridos sp3 del nitrgeno en la molcula del amoniaco (
Vista B).( La vista A corresponde a las configuraciones electrnicas
de los tomos de hidrgeno y oxgeno antes de la formacin de
enlaces.)
uLa uFig.38,B, unos urecuerda udos uFiguras uanteriores, ula
uFig.13,B uy ula uFig.28,B, relacionadas con la formacin de los
enlaces del carbono en la molcula del metano y del oxgeno en la
molcula del agua, respectivamente. La Figuras citadas evidencian la
3 formacin de orbitales hbridos sp por parte de los tomos centrales
de cada molcula, el carbono y el oxgeno.
3 En el metano el carbono recurre a la formacin de orbitales
hbridos sp para unirse a los hidrgenos por medio de enlaces sigma,
mientras que en el agua, el oxgeno forma 3 este tipo de orbitales
hbridos (hbridos sp) con dos fines: unirse a los hidrgenos por
medio de orbitales sigma y ubicar los pares de electrones del nivel
energtico superior.
uPor analoga, es de suponer que el nitrgeno, en la molcula del
amoniaco, se 3 comporte en analoga con el oxgeno, de manera que los
orbitales 4 hbridos sp le permitirn unirse a los hidrgenos (3
orbitales) y, adems ubicar, el par de electrones que posee en el
nivel energtico superior. a. El lenlace lsencilo lcarbonouPasemos
uahora, ual uenlace nitrgeno. sencillo ucarbononitrgeno, upara
uello, tilicemos ucomo uejemplo ula umolcula udel aminometano o
metilamina CHNH. De las frmulas estructurales (Fig.38) del 3 2
amoniaco y del aminometano se denota que las diferencias
estructurales entre una molcula y otra, consisten en que en el
aminometano el grupo metilo (CH) reemplaza 3 no de los hidrgenos en
la molcula del amoniaco.
H | .. H-C - N - H | | H H
;
.. H N - H | H
Fig.38 Frmulas estructurales del aminometano y del
amoniaco
3 uEn la molcula del amonaco el nitrgeno est hibridado sp.
Situacin similar debe presentarse en la molcula del aminometano, en
razn que el nitrgeno necesita de tres orbitales para formar enlaces
con el carbono y con dos hidrgenos, y tambin un orbital para ubicar
el par de electrones 2p. Por tanto, la alternativa, que el nitrgeno
forme 3 orbitales sp en el aminometano, debe ser la mas ventajosa,
hecho que se confirma con los estudios electronogrficos,
representados esquemticamente en la Fig.39.
uLo representado en la Fig.40 guarda analoga con lo representado
en la Fig.17 de la molcula del etano. Las diferencias radican en
que en la molcula del aminometano un 3 orbital hbrido sp del oxgeno
se utilizan para la disposicin del par de electrones del nitrgeno,
es decir, en este orbital hbrido se disponen electrones del mismo
tomo (del nitrgeno), mientras que en la molcula del etano, en todos
los orbitales hbridos encontraremos electrones de tomos diferentes.
Situacin similar a la representada para
Enlace Carbono - hidrgeno
Enlace Carbono hidrgeno
A 109,5
B
Orbital con par de electrones
Enlace Nitrgeno-carbonoEnlace Carbono hidrgeno
Fig.39
Representacin grfica de la formacin del enlace sencillo C-N con
base en la cobertura de orbitales sp3 en la molcula de aminometano.
A- tomo de nitrgeno. B-tomo de carbono.
el nitrgeno en la Fig.39, se observa para el oxgeno en la
molcula de metanol (ver Fig.30) uEn conclusin, el nitrgeno, dada su
configuracin electrnica, siempre presentar la tendencia a formar
tres enlaces sigma con sus electrones no pareados y a ubicar su
pares de electrones del nivel superior de energa, en un orbital,
por tanto, en esos 3 casos, la alternativa mas conveniente, es la
formacin de orbitales hbridos sp. b. Los enlaces mltiples carbono.
Al analizar el recorrido que hasta este nitrgeno momento se ha
realizado por el tema de los enlaces carbono-carbono,
carbono-oxgeno y carbono-nitrgeno, nos encontramos con situaciones
que nos permiten puntualizar en lo siguiente:3 El carbono tiene la
tendencia a formar enlaces sigma por medio de orbitales sp, siempre
y cuando encuentre, en una molcula determinada, el nmero suficiente
de tomos que le permitan realizar cobertura frontal de
orbitales.
Cuando el nmero de tomos, aportantes de electrones no es
suficiente (inferior a cuatro) para formar enlaces sigma, el
carbono recurre a la formacin de enlaces Pi, ya sea con otros tomos
de carbono o con heterotomos. El carbono, dada su conformacin
electrnica puede formar un enlace Pi (enlace doble) o dos enlaces
Pi (enlace triple).
El oxgeno tambin presenta tendencia a formar enlaces sigma,
siempre y cuando encuentre dos tomos para realizar la cobertura
frontal por medio de orbitales 3 hbridos sp. Para estos fines (la
formacin de enlaces sigma), el oxgeno utiliza dos 3 orbitales de
los cuatro orbitales sp. Los dos orbitales restantes los utiliza
para encajar los pares de electrones del nivel energtico superior.
C ando el oxgeno encuentra un solo tomo aportante de electrones,
forma con l un enlace sigma y recurre a satisfacer su valencia por
medio de la formacin de un enlace Pi (enlaces doble). La
configuracin electrnica del nitrgeno lo lleva a que forme tres
enlaces sigma (siempre y cuando encuentre tomos con electrones
disponibles), sin embargo por analoga con el oxgeno necesita de un
orbital adicional para ubicar el par de electrones del nivel de
valencia. Para los fines de formar tres enlaces sigma y ubicar el
par electrnico del nivel de 3 valencia, el nitrgeno debe formar
cuatro orbitales hbridos sp. C ando no encuentra tomos con
electrones que permitan la cobertura frontal, el nitrgeno debe
recurrir a la formacin de en laces Pi, de la siguiente manera: un
enlace Pi, cuando slo dos de sus tres electrones de valencia
participan de la hibridacin, formando el enlace doble y - dos
enlaces Pi, cuando slo uno de sus tres electrones de valencia
participa de la hibridacin, dando como resultado la formacin del
triple enlace. Con base en lo expuesto, atendiendo lo analizado
para el carbono y para el oxgeno en materia de formacin de enlaces,
se puede suponer que el nitrgeno, dadas las 3 circunstancias
propias de cada molcula, deber formar orbitales sp, sp2y sp,
guardando analoga con el carbono, cuando se trata de formar enlaces
sigma y con el oxgeno, cuando, adems, de formar enlaces sigma, se
requiera formar orbitales hbridos para ubicar pares de electrones
del nivel de valencia. uPara precisar lo expuesto sobre las
posibilidades que presenta el nitrgeno en la formacin de enlaces
por medio de la formacin de orbitales hbridos el caso de la 10
molcula de pirazolu que se observa en Fig.40. uEn la molcula del
pirazol nos encontramos con dos tipos de nitrgenos el nitrgeno 1 y
el nitrgeno 2. El nitrgeno 1 se une a tres tomos: un tomo de
hidrgeno, un tomo de carbono (el carbono 5) y un tomo de nitrgeno
(el nitrgeno 2). Por tanto con estos tres tomos el nitrgeno 1 debe
formar enlaces sigma. Adems, como ya sea expuesto, el nitrgeno
necesita de un orbital para ubicar el par de electrones del nivel
de valencia. En consecuencia, el nitrgeno 1 debe formar 4
orbitales10
El Pirazol se utiliza al igual que un elevado tipo de compuestos
heterociclicos en la obtencin de medicinas y colorantes.
4
3
H -- C - C -- H -2 H- C5 N: Pirazol N1 - H
Fig.40. Frmula estructural del
3 hbridos sp. Por tanto, el nitrgeno 1 se comporta de manera
similar al nitrgeno del aminometano arriba analizado.
uEl nitrgeno 2, por su parte, slo puede unirse a dos tomos el
nitrgeno 1 y el carbono 3. Con estos dos tomos forma enlaces sigma
y con este fin deber formar dos orbitales. El nitrgeno 2 necesita
un orbital para el par de electrones del nivel de valencia, por
tanto formar un orbital adicional para ello. As las cosas, para la
formacin de enlaces sigma y encaje de pares de electrones el
nitrgeno 2 requiere 3 2 orbitales: Por tanto el nitrgeno 2 recurrir
al formacin de 3 orbitales hbridos sp. La trivalencia del nitrgeno
2 se satisface con la formacin del enlace Pi por cobertura de los
electrones 2p del carbono 3 y del propio nitrgeno 2 que no han
participado en hibridacin. El nitrgeno 2, en la molcula del
pirazol, se comporta de manera similar al oxgeno en la molcula del
formaldehdo o al carbono en la molcula del eteno, situaciones
arriba analizadas. uPor ltimo, para analizar el enlace triple
carbono-nitrgeno basta observar los enlaces que se forman en la
molcula del cido cianhdrico HCN, cuya frmula estructural se
presenta en la Fig. 41.
H - C N:
Fig. 41. Frmula estructural del cido cianhdrico
En el HCN el nitrgeno slo puede formar enlaces sigma con el
carbono. Por tanto necesita un orbital para formar este enlace,
pero adems otro orbital para su par de electrones del nivel de
valencia. Por tanto, en esta molcula el nitrgeno debe formar dos
orbitales hbridos sp. En consecuencia, tanto el nitrgeno como el
carbono dejan, por fuera de la hibridacin sp, dos electrones 2p,
los que al cubrirse por parejas forman dos enlaces Pi. Entonces, en
la molcula del cido cianhdrico, entre carbono y
nitrgeno, hay un enlace sigma y dos enlaces Pi. Es de esperar
que el nitrgeno en esta molcula en nitrgeno se comporte de manera
similar al carbono en la molcula del etino que arriba se analizara.
uPara concluir el anlisis de los enlaces carbono-nitrgeno se
requiere presentar las caractersticas de los enlaces sencillos,
dobles y triples entre estos dos elementos y sobre esa base
concluir el anlisis. Los datos, expuestos en la Tabla 6, al
compararlos con los datos de las Tablas 2, 3 y 4 del carbono,
muestran que en casi todos los casos, las caractersticas de los
enlaces carbono-nitrgeno presentan valores menores que los de los
enlaces carbono-carbono.
ENLACE
COMPUESTO(S)
ENERGA ANGULO DE LONGITUD DE ENLACE, VALENCIA, DE ENLACE,
kcal/mol 1,47 69,5
C-N
Aminas, aminocido, 109,5 proteinas,etc. Imidas, pirazoles,
azoles, azocompuestos, purinas, etc. Nitrilos. 120
C=N
1,27
147
CN
180
1,15
210
Tabla 6. Caractersticas de los enlaces carbono-nitrgeno. Tomado
y adaptado de:1. Karapetiants M.J y Drakin S.I .Estructura de la
Sustancia. Ed. MIR, Mosc. 1974. Traduccin al 2. Noller.C.R. Qumica
Orgnica. Tercera Edicin.Ed. espaol. 3. Potapov.V.M. Interamericana.
Qumica Orgnica.Ed. Mir . Mosc 1979.
uEste hecho puede estar relacionado con el tamao menor del tomo
de nitrgeno y su mayor electronegatividad (3,0 contra 2,5 del
carbono) lo que, en sumatoria, hace que los enlaces
carbono-nitrgeno se compriman. Sin embargo, en trminos generales,
se puede considerar que entre los enlaces carbono-carbono y
carbono-nitrgeno existe gran similitud y que la conducta qumica de
los compuestos que los debe presentar considerable analoga. uEn
consecuencia, los enlaces carbono-nitrgeno deben diferenciarse de
los enlaces carbono-oxgeno por las consideraciones, que se arriba
hicieran, al comparar los ltimos(los enlaces carbono-oxgeno) con
los enlaces carbono-carbono que aqu, de nuevo, tienen plena
vigencia.
3. Los enlaces carbono-halgeno. Den tro de este tipo de enlaces
se debe tener en cuenta los enlaces carbono-flor, carbono-cloro,
carbono-bromo y carbono-yodo que con frecuencia se encuentran en
los compuestos orgnicos, en especial en los 11 compuestos orgnicos
sintticosu, es decir que en la naturaleza como tales no existen. u
uTodos estos elementos pertenecen al grupo 7A, por tal motivo la
configuracin 2 2 5 electrnica en todos los casos es similar a la
del Flor: 1s2s2p, en la que el nivel de 2 5 2 5 valencia es el
2s2p. Por analoga, para el cloro el nivel de valencia es el 3s3p,
para el 2 5 2 5 bromo el 4s4p y para el yodo el 5s5p. uCon base en
los datos anteriores es suficiente representar la configuracin
electrnica del flor para reconocer la configuracin electrnica de
los halgenos que representan inters dentro del anlisis que aqu se
adelanta. Observemos, entonces la configuracin del flor (Fig.
42).
s 2 1
p Fig. 42 Representacin grfica de la configuracin electrnica del
tomo de flor 1s 22s 2 5 2pElectrn de valencia
uEl flor como todos los halgenos, tiene un electrn de valencia.
En otras palabras, todos los halgenos son monovalentes, por tanto
slo forman enlaces sencillos con el carbono. Sin embargo, la
presencia de tres pares de electrones en el nivel de valencia,
puede hacer suponer que los halgenos recurran a la formacin de
cuatro orbitales 3 hbridos sp con el objetivo de formar un enlace
sigma con el carbono y ye n los tres restantes ubicar los pares de
electrones. Esta situacin, slo tiene ocurrencia para los halgenos
de menor tamao (F y Cl), mientras que para el Bromo y el Yodo no es
comn. Por lo visto el tamao del los halgenos mayores dificulta el
proceso de hibridacin, pero esto no altera las caractersticas
generales del los enlaces carbonohalgeno. uObservemos las
caractersticas de los enlaces carbono-halgeno que se exponen en la
tabla siguiente:
11
El enlace carbono-cloro no estaba presente en la naturaleza
antes de la accin humana y por tanto son escassimos los seres vivos
que saben descomponerlo .
ENLACE
COMPUESTO(S)
ENERGA ANGULO DE LONGITUD DE ENLACE, VALENCIA, DE ENLACE,
kcal/mol 1,4 1,76 1,91 2,12 116 78,9 66,8 52,3
C-F
Compuestos orgnicos fluorados. 109,5 Compuestos orgnicos
clorados. 109,5
C-Cl C-Br
C-I
109,5 Compuestos orgnicos bromados Compuestos orgnicos yodados.
109,5
Tabla 7. Caractersticas de los enlaces carbono-nitrgeno. Tomado
y adaptado de:1. Karapetiants M.J y Drakin S.I .Estructura de la
Sustancia. Ed. MIR, Mosc. 1974. Traduccin al 2. Noller.C.R. Qumica
Orgnica. Tercera Edicin.Ed. espaol. 3. Potapov.V.M. Interamericana.
Qumica Orgnica.Ed. Mir . Mosc 1979.
uAl analizar los datos de la Tabla 6. es evidente el crecimiento
notorio de la longitud del enlace carbono-halgeno, lo que debe
estar relacionado con el crecimiento del tamao del tomo del halgeno
al, pasar del segundo al quinto perodo en la tabla peridica.3 uEl
ngulo de valencia corresponde a los hbridos sp para aquellos casos
en los que se forman o cuando el halgeno con los electrones p se
une al carbono con orientacin tetradrica.
uComentario especial ameritan los valores de la Energa del
enlace carbono- halgeno. La energa del enlace carbono-flor es la
mas alta de los enlaces sencillo que en este seccin se haya
analizado (ver Tablas 2,5 y 6) entre carbono y carbono,
carbonooxgeno y carbono-nitrgeno. uEl elevado valor de la energa
del enlace carbono-flor debe obedecer a dos situaciones: el tamao
del tomo que es el menor entre los halgenos y la elevada
electronegatividad del flor: Estos dos hechos hacen que el enlace
carbono-flor sea compacto y presente una elevada rigidez. uLa
energa del enlace carbono-cloro es de un valor muy cercano a los
valores de los enlaces carbono-carbono, carbono-nitrgeno y
carbono-oxgeno. Por tanto se debe esperar que su rompimiento se de
en condiciones similares a las de los enlaces sencillos enunciados
(C-C; C-O y C-N).
uLas dos consideraciones expuestas sobre la rigidez de los
enlaces carbono-flor y carbono-cloro pueden servir de elemento
inicial para comprender el comportamiento de ciertas sustancias
organohalogenadas como los organoflorclorados que atacan la capa de
ozono o la persistencia en el ambiente de ciertos plaguicidas
organoclorados. Sin embargo, los organohalogenados en condiciones
especficas presentan una conducta qumica diversa, conducta que slo
se podra espera por parte de los organobromados y organoyodados,
por los valores bajos de las respectivas energas de enlace. u 4.
Los enlaces carbonoazufre, carbonofsforo. La ubicacin del azufre y
el fsforo ucomo uhomlogos udel uoxgeno u(grupo u6A) uy udel
unitrgeno u(grupo u5A) respectivamente, podra llevar a suponer un
comportamiento similar a estos elementos (oxgeno y nitrgeno). Sin
embargo, el mayor tamao de los tomos de azufre y fsforo hace que
llos no presenten orbitales hbridos. Esta consideracin tiene
validez y, como ejemplo, se puede citar el caso del sulfuro de
hidrgeno HS- que, como anlogo del 2 3 agua, debera presentar
orbitales hbridos sp. Sin embargo el ngulo de valencia en esta
molcula es del orden de 90 lo que supone que el azufre no hibrida y
nos remite a pensar que las consideraciones que se hicieran al
iniciar el anlisis de la molcula del agua con relacin al oxgeno, en
este caso tiene plena validez (ver Fig.26 y comentarios
relacionados). uCon el fsforo sucede algo similar en lo relacionado
con la organizacin espacial de los enlaces carbono-fsforo, puesto
que es el carbono el que le da la orientacin al enlace, hechos que
pueden explicarse con los elementos de la mecnica cuntica bsica sin
que se deba recurrir a hacer uso de la teora de la hibridacin en
este caso. Por tanto slo resta presentar los datos ms generales
sobre los enlaces carbono-azufre y carbono-fsforo.
ENLACE COMPUESTO(S)C-S C=S
ENERGA ANGULO DE LONGITUD DE DE ENLACE, VALENCIA, ENLACE,
kcal/mol 109,5 120 180 1,47 1,27 1,15 62 147 210
Tioles,etc. tiocarbamatos tioureas,etc. Nitrilos.
C-P
Tabla 8. Caractersticas de los enlaces carbono-nitrgeno. Tomado
y adaptado de: uDe esta manera hemos realizado un recorrido rpido
por las inmensas posibilidades que posee el carbono para formar
enlaces y que hacen presencia en compuestos orgnicos naturales y e
compuestos orgnicos sintticos, con los cuales el ingeniero agrnomo
contacta frecuentemente.
