3. Teorías de enlace del benceno | 🌸 Arenos aromáticos | Joseleg

 | Ciencias de Joseleg | Química | Química orgánica | Arenos | (Introducción) (Benceno) (Enlaces del benceno) (Importancia) (Nomenclatura) (Propiedades físicas) (Propiedades químicas) (Referencias)

 

Teoría del enlace de valencia

Normalmente durante la hibridación sp 2 el enlace doble se genera mediante 2 tipos de estructuras diferentes, el primer enlace de tipo sigma opera como un enlace simple normal, básicamente como si fuera una varilla que mantiene Unidos a los 2 átomos, sin embargo el enlace pi es completamente diferente, puede ser proyecta como si fuera una rosca alrededor de los 2 átomos.

Figura 3‑1. Modelo del enlace de valencia para la molécula del eteno H₂C=CH₂ que representa la hibridación del carbono en sp2. En verde hemos modelado los enlaces de tipo sigma, los cuales son lineales y pueden rotar como si fueran un tornillo. En amarillo hemos modelado un solo enlace de tipo pi que se proyecta como si fuera una rosca o anillo alrededor de los dos átomos de carbono con regiones de muy baja probabilidad cerca a los átomos. Tenga en cuenta que un error conceptual común sobre este modelo es pensar que el enlace pi único como si fueran dos enlaces pi, debido a sus dos regiones de alta probabilidad que aparentan ser independientes. Sin embargo esto es solo una apariencia, porque usted debe pensar en estas regiones de probabilidad como si fueran lóbulos de una onda única.

Bajo la teoría del enlace de valencia, el esqueleto de carbono del benceno forma un hexágono regular con ángulos de enlace C-C-C y H-C-C de 120°. Para este tipo de enlace, el carbono utiliza orbitales híbridos sp2, tin embargo en ese caso no se forma la rosca normal de El enlace Pi en el doble enlace, pues de lo contrario el benceno debería comportarse como el hexatrieno. El modelo más aceptado para la teoría de valencia establece que los orbitales p de los 6 átomos de carbono se deslocalizan, generando un enorme enlace deslocalizado alrededor de todos los 6 átomos de carbono en 2 enormes lóbulos continuos.

Figura 3‑2. Modelo del gran enlace deslocalizado de los 6 átomos de carbono en él benceno, el cual sí es notablemente diferente al enlace pi normal de un doble o de un triple enlace. Al rodear los 6 átomos de carbono provoca que la molécula esté mucho más cohesionada y eso explica por qué el benceno y todos los anillos que poseen este tipo de enlaces localizado son especialmente estables, y por lo tanto difíciles de romper químicamente.

En química Orgánica este enlace deslocalizado que rodea a todos los carbonos en un anillo aromático se puede modelar como si fuera literalmente un anillo al interior del hexágono.

Figura 3‑3. Representación alternativa del anillo del benceno que nos muestra claramente la diferencia entre el enlace deslocalizado que explica sus propiedades únicas, en comparación con la estructura de Kekulé que nos hace confundirlo con un alqueno.

Teoría del orbital molecular

De acuerdo con la teoría de los orbitales moleculares, que es básicamente una configuración electrónica pero la molécula:

σ_1s()<σ*_1s()<σ_2s()<σ*_2s()<π_2py()=π_2pz()<π_2px()<π*_2py()=π*_2pz()<π*_2px()

En la molécula de benceno cada dos carbonos con dos hidrógenos nos da 14 electrones para repartir

σ_1s(2)<σ*_1s(2)<σ_2s(2)<σ*_2s(2)<π_2py(2)=π_2pz(2)<π_2px(2)

Por lo tanto los electrones alcanzan a llenar los tres orbitales enlazantes pi. De acuerdo con los cálculos de orbitales moleculares, la gran estabilidad del benceno se debe al hecho de que estos tres orbitales moleculares enlazantes tienen mucha menos energía en comparación con los seis orbitales atómicos 2p no combinados.

Resonancia

Uno de los postulados de la teoría de la resonancia es que cuando una molécula o un ion puede representarse mediante dos o más estructuras contribuyentes, no está adecuadamente representado por ninguna estructura contribuyente única. Representamos el benceno como un híbrido de dos estructuras contribuyentes equivalentes, a menudo denominadas estructuras de Kekulé.

Figura 3‑4. Modelo de resonancia para las estructuras de Kekulé del benceno

Cada estructura de Kekulé hace una contribución igual al híbrido; por lo tanto, los enlaces C-C no son enlaces simples ni dobles, sino algo intermedio, y único al mismo tiempo. Reconocemos que ninguna de estas estructuras contribuyentes existe (son simplemente formas alternativas de emparejar orbitales 2p sin razón para preferir uno u otro) y que la estructura real es una superposición de ambos. Sin embargo, los químicos continúan utilizando una sola estructura contribuyente para representar esta molécula porque es lo más cerca que pueden llegar a una estructura precisa dentro de las limitaciones de las estructuras clásicas de enlaces de valencia y la tetravalencia del carbono.

El concepto de aromaticidad

En química, la aromaticidad es una propiedad de las estructuras moleculares cíclicas (en forma de anillo), normalmente planas  con enlaces pi en resonancia (aquellas que contienen electrones deslocalizados) que proporciona una mayor estabilidad en comparación con otras disposiciones geométricas o conectivas con el mismo conjunto de átomos. Los anillos aromáticos son muy estables y no se rompen fácilmente. Los compuestos orgánicos que no son aromáticos se clasifican como compuestos alifáticos; pueden ser cíclicos, pero solo los anillos aromáticos tienen mayor estabilidad en comparación a una molécula teórica con los mismos átomos y el mismo número de electrones que se comporta como una sustancia alifática.

Dado que los compuestos aromáticos más comunes son derivados del benceno (un hidrocarburo aromático común en el petróleo y sus destilados), la palabra aromático ocasionalmente se refiere informalmente a los derivados del benceno, y así se definió por primera vez. Sin embargo, existen muchos compuestos aromáticos distintos del benceno, pero que estructuralmente siguen siendo reminiscentes a él. En los organismos vivos, por ejemplo, los anillos aromáticos más comunes son las bases de doble anillo en el ARN y el ADN como la guanina y la adenina. Un grupo funcional aromático u otro sustituyente se denomina grupo arilo.

Figura 3‑5. Fórmula estructural para la guanina que visualiza claramente un anillo doble aromático.

El primer uso del término aromático fue en un artículo de August Wilhelm Hofmann en 1855 (Hofmann, 1857). Hofmann usó el término para una clase de compuestos de benceno, muchos de los cuales tienen olores (aromas), a diferencia de los hidrocarburos saturados puros. La aromaticidad como propiedad química no tiene una relación general con las propiedades olfativas de tales compuestos, aunque en 1855, antes de que se comprendiera la estructura del benceno o de los compuestos orgánicos, químicos como Hofmann comenzaban a comprender que las moléculas olorosas de las plantas, como los terpenos, tenían propiedades químicas que hoy reconocemos son similares a los hidrocarburos de petróleo insaturados como el benceno.

Figura 3‑6. Formación del anillo deslocalizado que enlaza de manera simultánea a los 6 carbonos en el benceno.

En términos de la naturaleza electrónica de la molécula, la aromaticidad describe un sistema conjugado que a menudo se compone de enlaces simples y dobles alternados en un anillo. Esta configuración permite que los electrones del sistema pi de la molécula se deslocalicen alrededor del anillo, aumentando la estabilidad de la molécula. De lo anterior podemos concluir que la aromaticidad más que un concepto relacionado con el olor de las moléculas representa más bien un tipo de enlace al interior de una estructura en anillo.