Relación entre la estructura y las propiedades de los compuestos orgánicos

La resonancia es un concepto fundamental en química. Nos ayuda a comprender cómo se distribuyen los electrones dentro de una molécula o ion. En química, utilizamos estructuras de Lewis para representar la disposición de los electrones alrededor de los átomos. Por ejemplo, la estructura del benceno suele indicarse como una única estructura de Lewis. Esta estructura de Lewis contiene enlaces simples y dobles alternados. La estructura de Lewis del benceno dice que las longitudes de los enlaces carbono-carbono en el benceno no son iguales. Mientras tanto ya hemos estudiado que todas las longitudes de enlaces carbono-carbono en el benceno son iguales.

Podemos concluir que una sola estructura de Lewis no es suficiente para describir con precisión la estructura electrónica de una molécula. Aquí es donde la resonancia cobra relevancia. La resonancia se produce cuando una molécula puede representarse mediante múltiples estructuras de Lewis válidas llamadas estructuras de resonancia. Estas estructuras de resonancia difieren únicamente en la disposición de los electrones. Las posiciones de los átomos permanecen iguales. La molécula o ion es el híbrido de sus Estructuras de Resonancia.

Por ejemplo, aquí se ilustran dos posibles estructuras de Lewis del benceno. Estas dos estructuras de Lewis del benceno se denominan estructuras de resonancia. Sólo se diferencian en la posición de los enlaces pi. Los electrones pi están deslocalizados por todo el anillo de benceno. La molécula original de benceno es un híbrido de estas dos estructuras de resonancia.

Tomemos ahora un ejemplo de ion acetato. Hay dos posibles estructuras de Lewis de iones acetato. Estas estructuras se ilustran aquí. El electrón del átomo de oxígeno puede deslocalizarse entre dos átomos de oxígeno que están unidos al carbono. Estas dos estructuras de Lewis también se denominan estructuras de resonancia.

El fenol es un alcohol en el que el grupo hidroxilo está unido al átomo de carbono del anillo de benceno. La fórmula molecular del fenol es C₆H₅OH. El fenol es más ácido que otros alcoholes. Puede disociarse en iones fenóxido y iones hidrógeno. Ahora que hemos estudiado el concepto de resonancia, ¿puedes explicar por qué los fenoles son más ácidos? Bueno, la respuesta a esta pregunta también está en la resonancia.

Los fenoles son más ácidos debido a la estabilidad del ion fenóxido. Como sabemos, el ion fenóxido se forma por la disociación del fenol. Este ion fenóxido es muy estable debido a la resonancia. El electrón del átomo de oxígeno del ion fenóxido está deslocalizado en todo el anillo de benceno. Debido a esta deslocalización del electrón, el ion fenóxido tiene múltiples estructuras de resonancia. Debido a la deslocalización del electrón, el electrón no está fácilmente disponible en el átomo de oxígeno del ion fenóxido. Esto hace que el ion fenóxido sea menos reactivo y, por lo tanto, más estable.

El desplazamiento de la densidad electrónica entre átomos o grupos de átomos se denomina efecto inductivo. Describe la influencia de atracción o donación de electrones. Lo hace para átomos o grupos de átomos, para átomos o grupos de átomos cercanos, dentro de una molécula. Por ejemplo, en los haluros de alquilo, la densidad electrónica se desplaza desde los átomos de carbono del grupo alquilo hacia el átomo de halógeno. Esto se debe a la alta electronegatividad del átomo de halógeno en comparación con el átomo de carbono. El átomo de halógeno retira densidad electrónica hacia sí mismo.

El efecto inductivo negativo ocurre cuando un átomo o grupo de átomos retira densidad electrónica del resto de la molécula. Esto conduce a una disminución de la densidad electrónica en el resto de la molécula. Por ejemplo, en el clorobutano, el átomo de cloro es más electronegativo que el carbono y el hidrógeno. Exhibe un efecto inductivo negativo. Disminuye la densidad de electrones en el átomo de carbono cercano.

Los átomos o grupos de átomos que indican un efecto inductivo negativo se denominan grupos atractores de electrones. Los grupos atractores de electrones tienen alta electronegatividad. Estos grupos tienen una tendencia a retirar densidad electrónica del resto de la molécula. Los ejemplos de grupos atractores de electrones incluyen halógenos, grupo carbonilo, grupo ciano y grupo nitro.

El efecto inductivo positivo ocurre cuando un átomo o grupo de átomos dona densidad electrónica al resto de la molécula. Esto produce un aumento de la densidad electrónica en el resto de la molécula. Por ejemplo, en el tolueno, el grupo metilo aumenta la densidad electrónica en el anillo de benceno. El grupo metilo exhibe un efecto inductivo positivo.

Los grupos donadores de electrones son los átomos o grupos de átomos que exhiben un efecto inductivo positivo. Los grupos donadores de electrones suelen tener baja electronegatividad. Algunos ejemplos de grupos donadores de electrones son los grupos alquilo, el grupo amino y el grupo hidroxilo. Los grupos alquilo pueden ser grupos metilo o grupos etilo.

Cuando un grupo donador de electrones se une a un anillo de benceno, dará lugar a la densidad de electrones en la posición orto y para del anillo de benceno. A este tipo de grupo se le denomina Grupo Directivo Orto y Para. Por ejemplo, en las estructuras de resonancia del tolueno, podemos ver que el grupo metilo aumenta la densidad electrónica en las posiciones orto y para.

Durante las reacciones de sustitución electrofílica, los grupos directores orto y para dirigen al electrófilo entrante en las posiciones orto y para. Esto se debe a que la densidad de electrones aumenta en las posiciones orto y para. Por ejemplo, la nitración de tolueno da como resultado la formación de orto-nitrotolueno y para-nitrotolueno. El grupo metilo en tolueno incrementa la densidad electrónica en la posición orto y para. Como resultado, el grupo nitro está unido en la posición orto y para.

Los grupos atractores de electrones disminuyen la densidad de electrones en las posiciones orto y para en el anillo de benceno. La densidad de electrones en la posición meta permanece igual. Estos grupos se denominan grupos de metadirección. Las posiciones orto y para se vuelven parcialmente positivas. La posición meta se vuelve parcialmente negativa. El grupo nitro en el nitrobenceno actúa como grupo director meta.

En el nitrobenceno, el grupo nitro retira densidad electrónica de las posiciones orto y para. Ahora la posición meta tiene más densidad electrónica en comparación con la posición orto y para. Como resultado, el electrófilo entrante se adhiere a la posición meta. Por ejemplo, durante la cloración del nitrobenceno Cl⁺El ion actúa como electrófilo. Se une a la posición meta del nitrobenceno. Se forma metacloronitrobenceno como producto.