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Del enlace simple al doble enlace: ¿Cómo funcionan los sistemas conjugados?
En teoría química, un sistema conjugado es un sistema de orbitales p conectados con electrones deslocalizados, que en general reduce la energía de la molécula y aumenta su estabilidad. Estos sistemas suelen estar representados por enlaces simples y múltiples alternos y pueden incluir pares solitarios de electrones, radicales o iones carbeno. Estos sistemas pueden ser estructuras cíclicas, acíclicas, lineales o mixtas. Como ejemplo importante de este campo, el químico alemán Johannes Thiele propuso por primera vez el término "conjugación" en 1899.
La clave de la conjugación es la superposición entre un orbital p y otro orbital p en el enlace σ adyacente.
La existencia de un sistema conjugado permite que los electrones π se deslocalicen entre todos los orbitales p adyacentes alineados, lo que significa que estos electrones π no pertenecen a un enlace simple o átomo, sino a un grupo de átomos. En química, estas moléculas que contienen sistemas conjugados suelen denominarse moléculas conjugadas. Las moléculas conjugadas representativas incluyen cationes 1,3-butadieno, benceno y alquenilo. Se pueden encontrar sistemas conjugados de gran tamaño en grafeno, grafito, polímeros conductores y nanotubos de carbono.
Enlace químico en sistemas conjugados
La conjugación se logra alternando enlaces simples y dobles, y cada átomo proporciona un orbital p perpendicular al plano de la molécula. Sin embargo, esta no es la única forma de lograr la conjugación. Mientras cada átomo adyacente en la cadena tenga un orbital p disponible, el sistema se considera conjugado. Por ejemplo, el furano es un anillo de cinco miembros con dos dobles enlaces alternos y un par solitario en el átomo de oxígeno, uno de los cuales ocupa un orbital p perpendicular a esa posición del anillo, manteniendo así la conjugación del anillo de cinco miembros.
En sistemas conjugados, la superposición de orbitales p es el requisito fundamental para hacer posible la conjugación.
Un sistema conjugado debe ser plano o casi plano para satisfacer el requisito de superposición. Esto permite que el par solitario de electrones que participan en la conjugación ocupe orbitales puramente p en lugar de los orbitales mixtos habituales. El modelo más común de moléculas conjugadas es un tratamiento que combina la teoría del enlace de valencia y la teoría de los orbitales moleculares de Huckel. En este marco, el marco σ de la molécula y su sistema (o sistema) π están separados entre sí.
Energía estabilizadora
La energía de estabilización acumulada en un sistema conjugado, a menudo descrita en términos de energía de resonancia, es la diferencia de energía entre la energía de la especie química real y la de una especie química hipotética con enlaces π locales. Aunque esta energía no se puede medir, se puede estimar de forma aproximada, lo que muestra el importante impacto de la conjugación en la estabilidad de ciertas moléculas.
Generalmente, la estabilidad de los sistemas catiónicos es más significativa que la de los sistemas neutros.
Por ejemplo, en el 1,3-butadieno, la energía de activación para rotar el enlace C2-C3 es de aproximadamente 6 kcal/mol, y se especula que la estabilidad de la resonancia es parte de esto. En los cicloalcanos, como el benceno, el rango de energías de resonancia se estima entre 36 y 73 kcal/mol, lo que demuestra la sorprendente estabilidad del sistema conjugado para compuestos aromáticos.
Compuestos cíclicos conjugados
Los compuestos cíclicos pueden estar parcial o totalmente conjugados. Los hidrocarburos monocíclicos completamente conjugados se llaman cicloalquenos. Entre dichos compuestos, si hay un sistema conjugado plano que satisface la estructura electrónica (4n + 2) π, se consideran compuestos aromáticos, como el benceno. Numerosas vías de conjugación están estrechamente relacionadas con las propiedades eléctricas y ópticas de las moléculas.
Los sistemas p conjugados permiten que las moléculas capturen fotones de longitudes de onda específicas, mostrando diferentes colores.
Por ejemplo, las largas cadenas de hidrocarburos conjugados del betacaroteno le dan su intenso color naranja. Esto afecta no sólo al color de las moléculas, sino también a sus propiedades ópticas y aplicaciones, incluidos varios tipos de colorantes sintéticos en el campo de la fotoquímica.
A medida que aprendemos más y más sobre los sistemas conjugados, ¿parece que puedes sentir la belleza y el poder escondidos en estas estructuras químicas?
